用于交变电流的频率补偿测量的基于磁场的电流传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于基于磁场敏感传感器元件(12，108)对通过电流导体(38，56)的交变电流I进行基于磁场的电流确定的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70)。传感器元件(12，108)在空间上布置为邻近电流导体(38，56)，以检测由电流导体(38，56)中的交变电流I产生的磁场。提出至少一个导电补偿元件(80，90)与通过电流导体(38，56)的电流流动I分离地并且在空间上邻近传感器元件(12，108)和电流导体(38，56)地布置，以通过可感应生成的补偿磁场来补偿磁场的频率相关失真。频率相关失真。频率相关失真。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于交变电流的频率补偿测量的基于磁场的电流传感器


[0001]本专利技术涉及一种具有频率补偿测量特性的、用于在较大频率范围内精确地基于磁场测量通过电流导体的电流强度的AC传感器。此外，本专利技术涉及这种AC传感器的用途。

技术介绍

[0002]基于磁场的电流传感器用于电流的电隔离的无接触测量。
[0003]出于本专利技术的目的，考虑了用于基于导体周围的磁场测量至少具有被通过一个或多个导体的交变电流影响的分量的电流的强度的基于磁场的电流传感器。电流可以是纯(通常为正弦)交变电流(AC电流)、被直流电流(DC电流)影响的交变电流、被具有一个或多个频率分量的谐波影响的电流、或者实际上是具有高开关频率的直流电流——在任何情况下，导致能够在金属导体中感应出涡流的交变磁场的电流。
[0004]所讨论的类型的电流传感器例如用于电动汽车的动力系统和充电应用、以及用于电驱动私人和商用车辆的汽车应用、大规模工业驱动器和用于可再生能源技术(诸如光伏或风力电力)。目前，这些部门在闭环/开环霍尔或磁通门技术中利用常规电流传感器，并利用去耦的测量分流器隔离变压器。这种电流传感器便宜，并且具有较低的频率带宽。但是，它们也需要相对较大的安装空间，并且具有升高的EMC灵敏度(电磁兼容性)或者需要附加制冷。
[0005]用于基于沿着闭合曲线S并围绕电流导体的磁场H测量通过一个或多个电流导体的电流的强度的非接触式电流传感器在本领域中是足够公知的。根据安培定律，它们是基于通过由曲线S所界定的区域A的总电流I得出的结论：
[0006][0007]这允许非接触式电流检测，且无电路操作方面的干扰，特别是不中断或介入电路。
[0008]现有技术中已知这样的布置，其使用磁场敏感梯度传感器来测量相邻电流导体的传导电流之间的测量平面中的磁场强度差。磁阻式传感器元件通常被用作磁场敏感传感器元件，其例如根据平面霍尔效应、AMR效应、GMR效应或TMR效应操作、或者被配置为磁阻器(MDR
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磁敏电阻器)。然而，这些也包括提供磁场相关电压(例如霍尔传感器)或者以其他方式提供作为磁场的强度的函数的传感器信号的传感器。作为示例而非穷尽，进一步参考基于SQUID的传感器(超导量子干涉设备)或磁通门磁力计。
[0009]在磁阻式传感器元件的领域中，AMR效应基于具有内部极化的铁磁层中基于磁场的电阻方面的变化，其中外部磁场导致铁磁层的合成磁矢量相对于电流方向的角度方面的变化。TMR和GMR传感器基于TMR或GMR效应，并且由几纳米厚的多层组成，其中至少一个参考层具有固定取向的磁化，并且自由层的磁化遵循外部磁场。参考层和自由层之间的磁化角度影响电阻值，该电阻值随着外部磁场的角度方面的变化而变化。
[0010]如果两个传感器元件彼此间隔设置，则通过对传感器信号的差分评估可以使传感
器对外部干扰场具有鲁棒性。差商被理解为磁场的梯度。这些梯度传感器特别适用于电流传感器中。这种磁场敏感传感器元件因此可以采取基于两个磁场传感器的梯度传感器的形式，其中相应的磁场传感器检测由每个电流部分引起的磁场，并且磁场传感器从内部或从外部从其确定梯度值。
[0011]在磁场敏感电流传感器中，传感器元件布置在电流测量方面有效的导体部分的区域中，使得由于传感器元件相对于在电流测量方面有寄生效应的导体部分的空间取向和/或由于另外的电流承载元件的场补偿效应，在电流测量方面有效的导体部分的磁场导致传感器值方面的主要变化，特别是电阻方面的主要变化，并且在电流测量方面有寄生效应的导体部分的磁场导致传感器值方面的微小变化或基本上没有变化。
[0012]梯度计布置中的电流测量的先前解决方案通常基于用于生成初级电流相关的场梯度的U形电流导体，如例如在DE 43 00 605 A1中描述的那样。为此，考虑在U形电流导体的两个支路中流动的电流，其中流入到一个支路中和在相邻支路中流出的电流在支路之间形成叠加的总磁场，该总磁场的场梯度在测量平面中进行检测。自然，相同量的电流在两个支路上但在相反的方向上流动。随着传感器越来越小型化，干扰场分量出现在这种电流传感器中(例如由于在U形导体的支路之间的连接件中的电流)，并且呈现导致xMR传感器的磁场敏感层的磁化强度方面的变化的幅值。
[0013]WO 2014/001473 A1公开了关于这种先前已知的U形几何形状的进一步发展，其中U形电流导体包括在电流测量方面有效的至少一个导体部分和在电流测量方面有寄生效应的至少一个导体部分。传感器元件具有至少一个灵敏度方向，磁场分量在该至少一个灵敏度方向上导致传感器值方面的主要变化。为此，传感器元件以这样的方式定向在电流测量方面有效的导体部分的区域中，特别是相对于在电流测量方面有寄生效应的导体部分旋转、倾斜和/或高度偏移，即，在U形导体元件的电流测量方面有效的导体部分的磁场基本上定向在灵敏度方向上，并且在U形导体元件的电流测量方面有寄生效应的导体部分的磁场基本上不定向在灵敏度方向上，特别地与灵敏度方向成直角。为了支持传感器元件的灵敏度，平行支路的侧面可以是永磁体，该永磁体提供辅助磁场用于支持传感器元件的内部磁化。
[0014]由U形电流支路形成的电感导致电压峰值，这必须通过接通的功率半导体电子单元来补偿，该功率半导体电子单元例如是针对转换器操作进行设计。因此，这必须针对相对较高的电压峰值进行设计。
[0015]最近，在WO 2019/072421 A1中描述了电流传感器的进一步发展，其代替了U形电流支路，包括相对于梯度传感器元件的测量平面高度偏移的两个平行导体部分，并且待测量的电流的一部分在相同的方向上流过这些导体部分中的每一个。通过电流分布，可以减小导体部分的电流负载，并防止横向支路或连接线的寄生干扰场。
[0016]在交变电流测量领域，趋肤效应是由于电流导体中的电流生成的交变磁场的自感而产生的。由于电流导体中的高频交变电流，通过电流位移效应，在内部区域建立了比外部区域中更低的电流密度。这意味着，在交变电流的情况下，涡流和电磁场作为频率的函数生成，这些涡流和电磁场将电荷载流子移位到导体表面。然而，以这样的方式，当频率增加时，电流导体周围的磁场改变，使得对于相同量的电流，传感器元件看到与在直流情况下不同的磁场。为了提高电流传感器的测量精度，例如从DE 101 10 254 A1中已知以这样的方式
成形电流导体的横截面，即在电流导体本身中不会出现涡流。
[0017]此外，邻近效应作用在两个紧密相邻的导体之间。邻近效应是电流移位现象，其中这种频率相关的现象限于紧密相邻的导体之间的涡流，其中交变电流在相同或相反的方向上流动，如在高度偏移的导体部分或U形导体部分的情况下那样。根据电流强度，邻近效应可以作用在几毫米到几厘米的导体间距上。根据在较高频率下特别明显的邻近效应，相反方向的高频电流(如在U形电流导体中那样)倾向于尽可能彼此靠近地流动，并且相同取向的高频电流(如在高度偏移的平行电流导体中那样)倾向于彼此移位。电流流量集中到其中两个导体位于紧密靠近彼此或隔开很远的区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于基于磁场敏感传感器元件(12，108)对通过电流导体(38，56)的交变电流I进行基于磁场的电流确定的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其中，所述传感器元件(12，108)在空间上布置为邻近所述电流导体(38，56)，用于检测由所述交变电流I在所述电流导体(38，56)中产生的磁场，其特征在于，至少一个导电补偿元件(80，90)布置为与通过所述电流导体(38，56)的交变电流I的流分离并且在空间上邻近所述传感器元件(12，108)和所述电流导体(38，56)布置，以通过能够感应生成的补偿磁场来补偿所述磁场的频率相关失真。2.根据权利要求1所述的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其特征在于，所述补偿元件(80，90)的电导率可以大于或等于所述电流导体(38，56)的电导率，其中，所述补偿元件(80，90)优选地由铜、铝或银组成。3.根据前述权利要求中的一项所述的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其特征在于，所述电流导体(38，56)包括两个导体部分(14a，14b，104)，其中，所述传感器元件(12，108)布置在所述两个导体部分(14a，14b，104)之间，并且优选地被配置为梯度传感器，并且其中，至少一个并且优选地两个补偿元件(80，90)基本上沿着一个传感器有效子部分跟随所述两个导体部分(14a，14b，104)的路线。4.根据权利要求3所述的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其特征在于，流过所述导体部分(14，14b)的所述电流导体(56)的交变电流I相对于通过所述导体部分(14a，14b)的横截面平面被细分，并且在相同方向上流动。5.根据权利要求4所述的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其特征在于，所述电流导体(56)的导体部分(14a，14b)相对于磁场敏感梯度传感器(12)的测量平面(20)高度偏移，特别地其中一个导体部分(14b)在测量平面(24)下方被引导并且一个导体部分(14a)在所述测量平面上方被引导，其中，相对于所述传感器元件(12)，至少两个补偿元件(90)和所述传感器元件(12)布置在一个平面中，所述平面相对于行进穿过所述导体部分(14a、14b)和所述传感器元件(12)的平面以一定角度延伸，特别地以直角延伸，并且其中，所述补偿元件(90)和所述传感器元件(12)之间的径向距离可以优选地小于或等于所述导体部分(14a、14b)和所述传感器元件(12)之间的径向距离。6.根据权利要求3所述的电流传感器(10，20，30，40，50，60，70，100)，其特征在于，流过所述电流导体(38)的导体部分(104)的交变...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳迪娅，
申请(专利权)人：森斯泰克有限责任公司，
类型：发明
国别省市：