用于高电压环境的传感器制造技术

一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，包括用以连接至高电压导体的高电压侧（４），用以连接至低电压电源和测量信号控制电路的低电压侧（６）、测量信号电路（１６）、电源电路（１４）、以及用于在低电压侧和高电压侧之间传输电气供电和／或测量信号的至少一个隔离变压器（１８，２０）。隔离变压器包括至少一个第一变压器芯部（２８）和至少一个第二变压器芯部（２８）、电路板上围绕着变压器芯部高电压侧分支（２７）的变压器线圈（３３）、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支（２９）的变压器线圈（３２），隔离变压器还包括环绕所述至少两个变压器芯部中的每一个的至少一个分支的中间线圈（３６）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于在高电压环境中测量电气参数的传感器。现有技术现今有许多应用为了控制和驱动或者仅仅为了监视而需要对高电压环境中的诸如电压、电流、频率和功率之类的电气参数进行高度隔离却精确快速的测量。 一个例子是铁路机车的电气驱动，所述铁路机车在约3000V的电压下被提供以电流。在这些应用之中，有许多应用需要将测量信号传送至低电压环境中的电子电路以供控制和/或显示之用。在某些应用中还希望由位于低电压环境中的电源来为传感器供电。功率和信号从高电压环境传输到低电压环境需要与最大可能电压差和适用标准相称的高电压电路和低电压电路之间的隔离，以避免爬电(electrical creep )和击穿。欧洲专利申请1 659 413中描述了一种高电压应用传感器，其中测量信号通过光纤传送从高电压侧传送至低电压侧，而供电则通过隔离变压器系统传送。该隔离变压器包括由导体绕组互连的三个变压器芯部，其中导体绕组形成有安装在电路板上的U形端子，而电路板则具有互连U形端子各端的传导电路迹线用以闭合各绕组回路。虽然根据这一现有技术的传感器具有良好的隔离性能，但是仍希望简化传感器的构造以降低制造成本，增加隔离性能的相容性(consistency)，减少缺陷及故障零件数，同时提升传感器的可靠性。还希望在传感器的使用寿命期间确保其较高的性能以及较低的测量误差偏移。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，该传感器具有低电压电源和测量信号处理电路，其制造经 济、精度高且安全可靠，在防爬电和击穿方面的性能尤为出众。有利地，提供一种包含零件较少且易于装配的鲁棒的高电压传感器。有利地，提供一种能够易于针对不同操作范围而配置和制造的高 电压传感器。本专利技术的各目的通过提供根据权利要求1的用于在高电压环境中 测量电气参数的传感器而业已实现。本文公开了一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，该 传感器包括用以连接至高电压导体的高电压侧，用以连接至低电压电 源和测量信号控制电路的低电压侧、测量信号电路、电源电路、以及 用于将电气供电和/或测量信号从低电压侧传送到高电压侧或者从高 电压侧传送到低电压侧的至少一个隔离变压器。隔离变压器至少包括 第一变压器芯部和第二变压器芯部，电路板上围绕着变压器芯部高电 压侧分支的变压器线圏、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支的 变压器线圏。隔离变压器还包括环绕着所述至少两个变压器芯部中每 一个的至少一个分支的中间线圏。有利地，中间线圈可以形成为电路 板中的一个或多个导电轨道。电路板上设置有孔或切口 (cutout)以使得变压器芯部分支能够从中穿过。测量信号电路和电源电路各自优选地包括隔离变压器。有利地， 测量信号电路隔离变压器的变压器芯部可以与电源电路隔离变压器的 变压器芯部相同，从而减少要制造的不同零件的种类。变压器线圏可 以通过改变电路板上形成的线圏的形状、长度、横截面和匝数而方便 地适用于各类信号强度和频率。有利地，电路板内形成的线圏可以由 该电路板多个层上的导电迹线形成。与线绕式芯部相比，在电路板内 提供线圏还可以大幅降低线圈和变压器芯部之间的电容性耦合。这又 能降低初级电路和次级电路之间的杂散电容。优选地，在公共第一电路板上形成变压器线圏，而在与第一电路5板分离的第二电路板上形成一个或多个中间线圏。然而，笫一电路板 也可以分成两个部分， 一个用作高电压侧电路， 一个用作低电压侧电 路。载有中间线圏的第二电路板也可以分成两个不同的部分， 一个用 作测量信号电路， 一个用作电源电路。第二电路板也可以集成在上述 公共电路板内，但这会付出隔离减弱的代价。在第一电路板和第二电路板上提供变压器线圏为具有期望的所需 功率、开关频率和变换比的线圈最优性能设计提供了更大的通用性。 电路板上的线圏还能够在降低制造和装配成本的同时，实现线圏相对 于变压器芯部的精确定位，并且在高低电压电路部分之间相容地提供 高度隔离。在本专利技术的范围内，还可以提供中间线圈作为不在电路板 内的导体环路，例如作为沖压成型的导体或者作为导线环路导体。中 间线圈可以具有串联或者并联连接的一匝或多匝。有利地，变压器芯部可以具有实质上呈矩形的刚性铁氧体材料零 件的形式。变压器芯部还可以由其他磁性材料(即，高磁导率材料) 制成。优选地，至少两个变压器芯部完全相同。变压器芯部可以由第一 u形部分和闭合该变压器芯部磁路的第二基本直条形部分构成。有利地，用于固定变压器芯部的装置可以是导电的，且连接至相 对应的参考电压。参考电压例如可以是接近高电压侧芯部的初级侧的 地电压，接近低电压侧的两芯部的次级侧的地电压。如上所述，固定 各芯部的电势将会降低高电压侧和低电压侧线圈之间相对于变压器芯 部的电压差并会集中芯部和中间线圈之间的电压差，其能够更为方便 的处理。附图说明本专利技术的其他目的和有利方面将从所附权利要求、以下的具体描述以及附图中变得显而易见，在附图中图l是根据本专利技术的高电压传感器的框图2是根据本专利技术一个实施例的高电压传感器的透视图，其中该 传感器的盖和树脂填充物被移除；图3是根据图2的高电压传感器的分解等角视图，其中该传感器 的外壳也被移除；图4a是用于根据本专利技术的传感器实施例的测量信号传输的隔离 变压器的截面图4b是类似于图4a的用于供电传输的隔离变压器的截面图； 图4c是包括了隔离变压器的中间线圏的电路板的一个实施例视图5是根据另一个实施例的隔离变压器的分解等角视图6是根据再一个实施例的隔离变压器的分解等角视图；以及图7是根据再一个实施例的隔离变压器的分解等角视图。具体实施例方式参见附图，特别是参见图1和图2，高电压传感器2包括高电压 侧4和低电压侧6,其中高电压侧4 (在此也^^皮称为初级侧)连接至待 测高电压(初级电压)下的导体，低电压侧6 (在此也^皮称为次级侧) 连接至低电压下用于供电和用于测量信号的导体或电路。初级侧设有 用于与初级导体相连的连接端子8，次级侧6设有用于与电源线相连 的端子10以及用于与测量信号线相连的端子12，其中测量信号线用 于将测量信号传输至控制和/或显示单元。传感器包括隔离电源电路14，该电源电路14包括次级侧14b、初 级侧14a以及位于初级侧14a和次级侧14b之间的隔离变压器18，其 中次级侧14b带有驱动器13以及用于与电源输入端子IO相连的电压 调节器ll，初级侧14a则带有整流器、调节器和滤波器以及用于向高 电压侧的电子电路供电的输出，而隔离变压器18则用于将功率从低电 压侧传递至高电压侧。变压器18的低电压侧包括辅助调节绕組37， 微控制器使用该绕组37以便通过改变开关频率来控制并调整初级电 源电压。传感器还包括测量信号电路16，该测量信号电路16包括初级侧 16a、次级侧16b以及位于测量信号电路次级侧和初级侧之间的隔离变压器20，其中初级侧16a带有包括模数转换器的测量信号处理电路， 次级侧16b则带有包括数模转换器的信号处理电路。将测量信号转换 成数字信号以经由隔离变压器20传输至低电压侧，能够确保信号的可 靠传输，因为数字信号对外部场扰动和噪声以及内部失真效应和在信 号传输通过隔离变压器期间可能出现的噪声较不敏感。在例示的实施例中，模数转换器包括用于调制测量信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，包括用以连接至高电压导体的高电压侧（４）、用以连接至低电压电源和测量信号控制电路的低电压侧（６）、测量信号电路（１６）、电源电路（１４）、以及用于在低电压侧和高电压侧之间传输电气供电和／或测量信号的至少一个隔离变压器（１８，２０），其中所述隔离变压器包括至少一个第一变压器芯部和至少一个第二变压器芯部（２８，２８′，２８″，２８″′）、电路板上围绕着变压器芯部高电压侧分支（２７，２７′，２７″，２７″′）的变压器线圈（３３，３３′，３３″，３３″′）、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支（２９，２９′，２９″，２９″′）的变压器线圈（３２，３２′，３２″，３２″′），所述隔离变压器还包括环绕着所述至少两个变压器芯部的每一个的至少一个分支的中间线圈（３４，３６；３４′，３６′；３４″，３６″；３４″′，３６″′）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M舍尔瑞尔，W泰帕，
申请(专利权)人：机电联合股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]