提供了一种电流传感器，其使用原边绕组承载待测电流，并使用副边绕组控制磁芯内的磁通量，提供原边电流的样本，并且还有助于在小的原边电流下控制磁通量以及使变压器饱和。辅助绕组被可选地用于控制磁通量，目的是为了简化传感器的控制。通过周期性地在副边绕组处施加一定的电压，迫使变压器磁芯脱离饱和，并通过检测电路获取原边电流的样本，检测电路可以包括采样－保持电路和模数转换器。控制电路被用于控制在副边绕组内和在可选的辅助绕组内流动的电流，并且被用于管理检测电路。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于通过将电流转化为电压来测量电流的设备。更具体地，本专利技术涉及用于测量直流和交流电流的与被测量电路隔离的高带宽设备。
技术介绍
已知有若干种用于测量电流的技术。最简单的一种包括插入电流路径内的分流电阻。尽管这种方法很便宜，但是它并不提供隔离，并且会消耗过多的功率，特别是在需要大的信号幅值时。另一种技术使用霍尔效应电流传感器。此类传感器提供了隔离、高分辨率和低功耗。可惜的是，这种设备的带宽被局限在几百千赫，并且成本比分流电阻高。而且，这种传感器表现出相当大的温度漂移，即使在使用了额外的补偿电路时也是如此。而且，为了达到满足绝大多数用途的准确度，必须利用相对较大的具有间隙的磁芯来实现传感器，以便将磁场充分地集中在载流导体周围。这就增大了这种类型的电流传感器的体积、重量和成本。近来，已经提出了基于各向异性磁电阻(AMR)效应的电流传感器。AMR效应是在有外加磁场存在的情况下铁磁性材料的电阻变化的结果。利用该效应，可以将传感器构建为具有比霍尔效应传感器更高的带宽，但是这种传感器的输出电压也会受到温度变化的影响。而且，为了产生足够的输出电压，需要有放大器电路，这增加了设备的成本。总体而言， 这种传感器比霍尔效应传感器或简单的分流电阻都要昂贵。巨磁电阻(GMR)效应也可以被用于电流测量。该效应是多层结构电阻的磁灵敏度的结果。尽管GMR效应表现出比ARM效应更高的灵敏度，但是GMR效应也表现出很强的非线性特征。因此，还没有基于这种技术的商用电流传感器出现。与基于上述原理中任意一种的传感器相比，基于磁通量闸门的传感器具有更好的准确度和温度特性，但这是以明显更高的成本和更大的物理尺寸实现的。这使得这样的传感器不合乎很多应用的需要。另一类传感器是基于输送待测电流通过变压器的原边并利用其保持变压器磁芯饱和的原理。随后将电压加至副边以迫使磁芯进入线性范围，形成通过副边的与原边电流成比例的电流。随后利用检测电阻测量该副边电流。但是，这样的传感器不能用于测量不足以使磁芯饱和的小电流。接近于零的电流可以通过增加偏置绕组进行测量，偏置绕组承载有其大小被设置为保持磁芯饱和的稳定电流。但是，偏置电流会产生稳定的功耗，并且另外还会在检测电阻处产生电压偏移。因此，为了达到高准确度，通过偏置绕组的电流必须被控制为高精度。而且，这种类型的电流传感器的带宽必然是非常小的，原因在于它使用的铁氧体或坡莫合金材料制成的磁芯具有较大的截面面积。另外，因为铁氧体或坡莫合金磁芯对于温度变化是高度敏感的，所以这种类型的传感器表现出明显的温度依赖性。因此，需要如下的改进的电流传感器其在大测量范围内测量交流和直流电流，同时表现出高带宽和高准确度并且实现了低功耗、与被测电流的良好隔离、低温度敏感性和低成本。
技术实现思路
利用变压器实现了一种高准确度、高带宽的电流传感器，该变压器包括磁芯，具有匝数为一匝或多匝的承载待测电流的原边绕组，被用于采样原边电流的副边绕组，以及用于选择性地、与原边电流的幅值无关地将磁芯带入饱和的辅助绕组。可选地，辅助绕组可以被省略并且采样和饱和功能都利用副边绕组实现，其代价是稍微更复杂一些的控制电路。 由于磁芯材料的性质和控制绕组的方法，这种电流传感器只消耗很小的功率，提供了被测电流和传感器之间的电隔离，表现出低温度敏感性，并且也很便宜。在如下所述的根据本专利技术的电流传感器的若干实施例中，直流电流或交流电流被转化为具有确定的和可再生的传输特性的电压。所得的传感器输出电压具有几伏的幅值使其能够直接与模数转换器(ADC)接口。传感器在待测电流和检测电路之间提供隔离并且在原边感生的平均压降为零。传感器能够以最小的功耗测量带宽超过IMHz的正电流和负电流。通过使用脉冲辅助电流来选择性地使磁芯材料饱和而不是像现有技术中的传感器那样使用恒定电流，还能够准确地测量低至零安培的电流。这种方法极大地降低了功耗和输出电压的偏移，由此改善了传感器能够测量的输入电流的动态量程。因为辅助电流是脉冲式的，所以辅助绕组能够适用于回收相当数量的用于控制变压器磁通的能量，结果是与现有技术中的传感器相比功耗的降低可以达到50%。而且，因为本专利技术消除了在供电电压上对偏移电压的依赖性，所以与现有技术中使用恒定辅助电流的传感器相比增加了测量的准确度。另外，因为辅助电流并不会影响测量的准确度，所以它可以通过非常简单和低成本的电路产生。脉冲辅助电流进一步的好处在于过电流事件不会像它在若干种现有技术的传感器中那样改变偏移电压。辅助电流的脉冲性质使得能够实现本专利技术另外的实施例，其中辅助绕组能够被省略并且由副边绕组负责饱和功能。因为本专利技术并不需要恒定的电流来流过辅助绕组，副边绕组可以是分时的，首先用于使磁芯饱和以及随后用于采样原边电流。这就减小了磁路的尺寸和复杂性，而其代价仅是略微增加了电路的复杂性。但是，如果将控制电路和开关用专用集成电路(ASIC)实现，那么电路复杂性的增加就既不会增加传感器的成本，也不会增大传感器的体积。根据本专利技术的传感器的输出电压可以被数字化处理以通过使用本领域技术人员公知的曲线拟合和温度补偿技术来进一步提高精度。但是，不使用数字校正技术的可选实施例也落在本专利技术的保护范围和精神以内。电流传感器的若干具体实施例如下所述并且应该被理解为通过本专利技术提供给本领域技术人员的优点的说明性示例，而并不是为了将本专利技术限制为任何特定的实施例。根据本专利技术的电流传感器的第一实施例包括具有磁芯的变压器，围绕磁芯缠绕有包括一匝或多匝的原边绕组，用于测量原边电流的副边绕组，以及用于迫使磁芯进入饱和的辅助绕组。可编程的饱和开关被用于选择性地在辅助绕组两端施加电压，目的是为了，即使在流过原边绕组的电流不足以凭自身将磁芯带入饱和的情况下，将磁芯带入饱和。为了降低功耗，饱和开关被闭合的时长恰好足以确保使磁芯饱和。饱和开关随后即被打开，而采样开关则被闭合。采样开关在副边绕组两端施加电压，并迫使磁芯返回到线性区域。一旦进入线性区域，流过副边绕组的电流就变得与原边绕组内的电流成比例。该电流被转化为检测电阻两端的电压，并随后通过模数转换器对检测电压进行采样。采样开关随后即被打开，并且通过副边绕组的电流自由流过一组二极管，最终返回电路回到其初始状态。测量过程可以按一定的频率重复进行，该频率仅由带动磁芯脱离饱和与进入到测量信号稳定的状态以及随后在打开采样开关之后重置电路所需的时间来限制。磁芯材料和形状的明智选择使采样速率能够超过1MHz。可选的，因为传感器仅在测量过程期间消耗功率，因此可以通过降低采样速率而进一步减小功耗。为了最小化偏移电流以及迫使变压器脱离饱和所需的时间，在根据本专利技术的电流传感器的一个实施例中选择具有低矫顽力和高矩形B-H回线的磁性材料。可以通过减小磁芯材料的截面积来增大采样频率而不会影响到测量的准确度。非晶态合金和纳米晶合金是表现出所需特性的磁性材料的例子。尽管坡莫合金和镍铁钼超导磁合金通常都更加昂贵并且表现出较差的温度稳定性，但是它们也能够被镀到允许高度紧凑形状的基板上。因此，这些材料也落在本专利技术的保护范围和精神以内。根据本专利技术的传感器的第二实施例可以被用于测量双向以及单向电流，其代价是略微增加了功耗并且依赖于被用于使磁芯饱和的辅助电流的测量准确度。这可以通过使用第一实施例中本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种电流传感器，包括：变压器，具有原边绕组、副边绕组以及基本为环形的变压器磁芯，所述原边绕组和副边绕组从所述变压器磁芯中穿过，其中：所述原边绕组适用于承载待测电流；以及所述副边绕组适用于选择性地承载用于在所述变压器磁芯内感生饱和场的饱和电流，以及选择性地承载用于在所述变压器磁芯内感生与所述饱和场相反的场的采样电流；用于选择性地给所述副边绕组提供电流的电源；检测电路，适用于测量基本与所述待测电流的幅值成比例的电压；以及控制电路，适用于选择性地将所述饱和电流加至所述副边绕组以及选择性地将所述采样电流加至所述副边绕组。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·齐格勒，
申请(专利权)人：大动力公司，
类型：发明
国别省市：US
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