磁耦合dc電流傳感器的制造方法
【專利說明】磁耦合DC電流傳感器
[0001]優(yōu)先權主張
[0002]本申請案主張2014年I月24日申請的艾薩克?科恩(Isaac Cohen)的標題為《磁耦合DC電流傳感器(MAGNETICALLY COUPLED DC CURRENT SENSOR)》的美國臨時專利申請案61/931，373的優(yōu)先權，所述臨時專利申請案出于所揭示的所有目的以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本申請案涉及DC電流傳感器。
【背景技術】
[0004]隔離DC電流傳感器遠程感測或測量DC電流。一些隔離DC電流傳感器包含具有初級側(cè)及次級側(cè)的變壓器或類似物。初級側(cè)通常具有一匝或僅若干匝且用于使DC電流通過。流動通過初級側(cè)的DC電流產(chǎn)生最終在次級側(cè)中感應出電流的場，所述電流稱為次級電流。測量在變壓器的次級側(cè)中產(chǎn)生的次級電流且提供所述次級電流作為指示DC電流或與DC電流成比例的輸出。此類隔離DC電流傳感器的益處之一為在產(chǎn)生經(jīng)測量電流的電路與DC電流感測電路之間不存在物理連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種用于測量電流的方法包含使DC電流通過變壓器的初級側(cè)及使用AC電壓驅(qū)動變壓器的次級側(cè)，其中變壓器的次級側(cè)中的電流達到穩(wěn)定水平(plateau)。在穩(wěn)定水平期間測量變壓器的次級側(cè)中的電流，其中經(jīng)測量電流與DC電流成比例。
【附圖說明】
[0006]圖1為現(xiàn)有技術電流傳感器的示意說明。
[0007]圖2A為圖1的驅(qū)動電壓的實例的圖表。
[0008]圖2B為響應于驅(qū)動電壓及DC電流的圖1的電流傳感器中的理想次級電流的實例的圖表。
[0009]圖2C為響應于驅(qū)動電壓及DC電流的圖1的電流傳感器中的實際次級電流的實例的圖表。
[0010]圖3為包含產(chǎn)生驅(qū)動電壓的動態(tài)電壓供應的雙芯電流傳感器的實例的示意圖。
[0011]圖4為電流傳感器的實例的詳細示意圖。
[0012]圖5為具有單芯或變壓器的電流傳感器的實例的示意圖。
[0013]圖6為用于測量電流的方法的實例的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]圖1為現(xiàn)有技術電流傳感器100的說明。電流傳感器100包含兩個芯，其個別地稱為第一芯102及第二芯104。在理想情況中，芯102、104具有無限導磁率。然而，在實際應用中，芯102、104具有非常高的導磁率。載送DC電流Idc的導體108延伸通過芯102、104。如圖1中展不，導體108在第一方向上延伸通過第一芯102且導體108在第二方向上延伸通過第二芯104。
[0015]以第一繞組110纏繞第一芯102且以第二繞組112纏繞第二芯104。出于說明目的，在圖1中僅展示若干匝繞組110、112，然而，在大多數(shù)實例中，在每一芯上存在許多匝，例如數(shù)百或數(shù)千匝。繞組110、112串聯(lián)連接，使得由第一繞組110中的DC電流Idc感應出的電流與在第二繞組112中感應出的電流相反。繞組110、112耦合或以其它方式連接到產(chǎn)生驅(qū)動電壓Vd的電壓供應114。此外，繞組110、112耦合到橋120。在圖1的實例中，驅(qū)動電壓Vd為如圖表2A中展示的方波。在理想情形下，驅(qū)動電壓V D具有50%的工作循序，使得驅(qū)動電壓Vd在其循環(huán)的前半部期間具有第一極性且在所述循環(huán)的后半部期間具有相反極性。
[0016]次級電流13響應于驅(qū)動電壓V D及DC電流Idc流動通過繞組110、112。在理想情形下，次級電流Is在正峰值電流IP+及負峰值電流I P-的值處達到峰值，IP+及I P-均具有I dc/n的振幅,其中N為繞組102、104中的每一者中的匝數(shù)比。在圖1的實例中，導體108延伸通過芯102、104，所以匝數(shù)比N為繞組110及112上的匝數(shù)。通過橋120整流次級電流13且通過電流測量裝置122測量次級電流Is。在圖2B的理想情形中，經(jīng)整流次級電流Is將為完美DC電流，其中平均值等于DC電流ID。除以繞組110、112中的匝數(shù)。
[0017]在真實條件下，芯102、104的導磁率不是無限的，泄漏電感存在且繞組110、112具有電阻。因而，次級電流Is不恒定遵循DC電流IDC。非真實情形下的次級電流1滿實例由圖2C的圖表展示。如圖2C中展示，次級電流Is的波形是實質(zhì)上梯形的而非如在圖2B的理想情形中是方形的。圖2C的梯形波形在與圖2B的次級電流Is相同的正峰值電流IP+及負峰值電流Ip-處具有穩(wěn)定水平126及128。如果對圖2C的梯形波形進行整流，那么所得波形將不為純DC電流且其將不等于Idc/N。因此，基于經(jīng)整流次級電流13的所得電流測量將不是正確的。
[0018]當前電流傳感器的實例實施例在穩(wěn)定水平126、128中的一者或兩者處取樣或以其它方式測量次級電流Is。通過為測量定時以與穩(wěn)定水平126、128中的一者或兩者一致，在次級電流Is已達到穩(wěn)定水平的穩(wěn)定水平周期％期間實現(xiàn)測量。在一些實例實施例中，測量的定時與驅(qū)動電壓Vd的頻率相關，使得測量在穩(wěn)定水平周期15期間發(fā)生。在其它實例實施例中，在穩(wěn)定水平126、128期間監(jiān)視次級電流Is且在達到穩(wěn)定水平126、128時進行測量。舉例來說，監(jiān)視器(未展示)可監(jiān)視次級電流Is且在次級電流I 3的衍生物(derivative)為零或?qū)嵸|(zhì)上改變時(這指示穩(wěn)定水平126、128)產(chǎn)生執(zhí)行測量的指令。在其它情況中，監(jiān)視器可在沒有變化的周期(這指示穩(wěn)定水平)期間監(jiān)視次級電流Is。上文描述的監(jiān)視穩(wěn)定水平126、128的方法可適用于本文中描述的所有電流傳感器實施例。
[0019]常規(guī)電流傳感器中的驅(qū)動電壓Vd是靜態(tài)的，這表示驅(qū)動電壓Vd的頻率及振幅是恒定的。在此類情形中，當DC電流ID。較大時，次級電流可能達不到穩(wěn)定水平。舉例來說，次級電流13可呈沒有穩(wěn)定水平的梯形波的形式或其峰值可能達不到值I dc/N。在驅(qū)動電壓Vd較高以便使源自高DC電流ID。的高次級電流I s能夠達到穩(wěn)定水平的情形中，傳感器100可能由于在DC電流ID。為低時產(chǎn)生過多的穩(wěn)定水平周期tp而使用過多能量。舉例來說，驅(qū)動電壓Vd的靜態(tài)振幅可保持高，這產(chǎn)生長穩(wěn)定水平周期t p，其可比執(zhí)行測量所必需的穩(wěn)定水平周期長。產(chǎn)生長穩(wěn)定水平周期％的問題是:驅(qū)動電壓Vd始終保持高，這消耗過多的功率。本文中描述的電流傳感器包含動態(tài)驅(qū)動電壓，其克服靜態(tài)驅(qū)動電壓所存在的上述問題。
[0020]圖3為包含動態(tài)電壓供應302 (其產(chǎn)生驅(qū)動電壓Vd)的雙芯電流傳感器300的實例的示意圖。雙芯傳感器300使得能夠在不考慮DC電流ID。的方向的情況下測量DC電流IDCo在一些實例中，電壓供應302響應于次級電流15而改變或調(diào)制驅(qū)動電壓Vd的振幅。在其它實例中，電壓供應302響應于次級電流18而調(diào)制或改變驅(qū)動電壓V D的頻率。在另外其它實例中，電壓供應302響應于次級電流18而調(diào)制驅(qū)動電壓V D的振幅及頻率。
[0021]電流傳感器300測量DC電流IDC，DC電流Idc在圖3中說明為跨越雙芯變壓器Tl的初級側(cè)306 (或簡稱為“初級306”)而耦合。實際上，DC電流1%通常為在導體中流動的DC電流，其中所述導體耦合到產(chǎn)生DC電流Idc的電路。圖3中的變壓器Tl描述為單個裝置。然而，在其它實施例中，變壓器Tl為雙裝置，例如具有圖1的兩個芯102、104的裝置。因此，初級側(cè)306可為穿過如圖1中展示的兩個芯的導體。
[0022]變壓器Tl的次級308耦合到電壓供應302的輸出310，其輸出驅(qū)動電壓VD。驅(qū)動電壓VD為方波，其在圖3的實例中具有如圖2A的圖表展示的50%工作循環(huán)。次級308耦合到測量次級電流13的電流測量裝置314。電流傳感器314產(chǎn)生指示與DC電流IDC成比例的次級電流Is的輸出信號。在一些實例中，電流測量裝置314的輸出信號為電壓，且在其它實例中，輸出信號為數(shù)字信號或電流。在下文描述的一些實例中，電流測量裝置314包含在穩(wěn)定水平周期tp期間測量次級電流I s的取樣及保持電路或其它電路。
[0023]將由電流測量裝置314測量的次級電流Is的值反饋到電壓供應302，電壓供應302響應于次級電流18而產(chǎn)生驅(qū)動電壓VD。在一些實例中，電壓供應302產(chǎn)生將穩(wěn)定水平峰值tp(圖2)維持在預定限制內(nèi)的驅(qū)動電壓VD。舉例來說，當DC