[发明专利]一种扩展罗氏线圈电流传感器带宽的方法

说明书

本发明公开了一种扩展罗氏线圈电流传感器带宽的方法。该方法对罗氏线圈进行阻抗重塑以扩展罗氏线圈电流传感器测量带宽的思路：将传统的积分器设计为能对线圈的阻抗进行重塑的阻抗适配器，以抵消罗氏线圈由寄生参数导致的谐振对测量带宽的影响。通过实验证明，新的设计方法在原有的罗氏线圈电流传感器的基础上，能将测量带宽扩展至测量带宽扩展至线圈的谐振频率附近且具有广泛的实际应用能力。

技术领域

本发明涉及应用于高频电流测量的罗氏线圈电流传感器技术领域，具体涉及一种扩展罗氏线圈电流传感器带宽的方法。

背景技术

以SiCMOSFET为代表的宽禁带半导体正引发了电力电子领域的深刻变革，相比于传统的Si器件，SiCMOSFET具有高开关速度，高功率密度等优异特性，这也对应用于SiCMOSFET的电流传感器提出了如下挑战：1.高带宽；2.低侵扰；3.小体积。罗氏线圈电流传感器的传感头由于是空心线圈，天然具有高带宽，低侵扰的特性。同时，由于线圈可以采用PCB工艺，小型化也可以保证，因此将罗氏线圈电流传感器应用于SiCMOSFET的电流测量是十分具有潜力的。

传统的罗氏线圈电流传感器由罗氏线圈和积分器两部分组成，结构图如图1所示。罗氏线圈应用了法拉第电磁感应定律，在线圈的终端能够输出被测电流的微分，即其中M为罗氏线圈的互感系数，i为被测电流。为了将被测电流的信号复原，积分器是十分必要的，它接在罗氏线圈之后能够将电流的微分复原成被测电流的电压信号。这就是罗氏线圈电流传感器的基本结构组成。如果将罗氏线圈电流传感器的原理用bode图描述：罗氏线圈的幅频特性曲线为一条斜率为+20db的斜线，相频特性恒为90°；积分器的幅频特性曲线为一条斜率为-20db的斜线，相频特性恒为-90°。因此将它们组合后的罗氏线圈电流传感器的幅频特性曲线为一条水平的增益，相频特性曲线为0°。

然而由于实际中的线圈在绕线的线路中存在寄生参数，这种寄生参数包括寄生电感和寄生电容，它们会在高频时形成谐振，使得线圈的输出不再为被测电流的微分，因此罗氏线圈电流传感器的带宽被线圈的寄生参数所限制。如图2所示为一个谐振频率为19MHz的线圈，但是由于谐振的存在，罗氏线圈的相频特性在2MHz时已经从90°降到了86.2°，达到了测量带宽的极限。

为了提高电流传感器的带宽，通常的方法是降低线圈的寄生参数，即减少线圈的尺寸和匝数等，来使线圈获得小的寄生电感与寄生电容从而使谐振频率提高以实现拓展罗氏线圈电流传感器带宽的目的。然而这方法却有无法忽视的副作用：随着线圈的匝数和尺寸的减小，虽然寄生参数会降低，但是同时会不可避免地降低传感器的信噪比，使得罗氏线圈电流传感器无论是在抗扰能力上还是精确度上都会受到影响。作为罗氏线圈电流传感器的另一部分，积分器基本无法起到提高传感器高频特性的作用。因此亟待找到一种方式能够在不牺牲罗氏线圈电流传感器信噪比的前提下，提高传感器的带宽。

发明内容

本发明的目的是，将传统罗氏线圈传感器中的积分器设计成与线圈相匹配的阻抗适配器，来抵消线圈由寄生参数导致的谐振，进行阻抗重塑。应用这种新方法为将罗氏线圈电流传感器的测量带宽扩展至谐振频率之上提供了可能，显著地提高罗氏线圈电流传感器在高频测量领域的应用潜力。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种扩展罗氏线圈电流传感器带宽的方法，所述罗氏线圈电流传感器包括罗氏线圈和与其连接的阻抗适配器，其特征在于，所述阻抗适配器在罗氏线圈呈微分特性时提供积分属性，在罗氏线圈出现谐振时提供补偿能力。为了能将罗氏线圈进行阻抗重塑以抵消谐振对带宽的限制，罗氏线圈与阻抗适配器在谐振处需具有相同阻尼比和谐振频率，从而实现扩展罗氏线圈电流传感器的带宽。

所述的阻抗适配器是在传统的混合积分器的基础上进行了改造，如图4：在其无源低通部分中电容C所在的支路，串联了电阻R₂和电感L。为了使罗氏线圈的阻抗可以被阻抗适配器更精准地重塑，在罗氏线圈在终端并联阻尼电阻R_S实现对线圈谐振处阻尼比的调节。

该方法的步骤是：