[发明专利]隔离型电流-电压和电压-电压转换器

说明书

相关申请数据

本申请根据美国专利法35U.S.C.§119(e)要求2007年10月30日提交的、编号为60/983,884的美国临时申请的权益。

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。