专利名称：电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及电流传感器。一些实施例涉及具有至少三个端子区 (terminal area)和至少两个磁场传感器的电流传感器节点，所述至少两个磁场传感器用于感测流入电流传感器节点的每个电流。
背景技术：
电流传感器用于多种应用，例如，在多条导线连接在电路节点处的情况下测量或检测电流如何分开。图观示出了将三条线(或导线)相连接的节点。这在许多配电系统中是常见的情形，其中，可以经由Il (其中，Il可以指示第一电流)将一次能量(primary energy)输入至系统。一次能量可以经由12 (其中，12可以指示第二电流)流动至负载，但一次能量还可以经由13 (其中，13可以指示第三电流)流动至备用电池。还可能发生的是，在一些实例中， Il等于0 (Il=O)并且负载(12)仅由电池(13)供应。该情形还可以发生在电动车辆中，其中，Il可以由充电器供应，12流经车辆的电机，该电机还可以用作用于将动能恢复为电能的装置，并且，13来自车辆中的大电池组。在这种情形下，不仅有兴趣测量该网络的单个分支中的单个电流，而且有兴趣测量所有分支中的电流。
发明内容
本发明的实施例提供了一种包括导电元件和至少两个磁场传感器的电流传感器。 所述导电元件包括至少三个端子区以及公共导电区，其中，所述至少三个端子区中的每一个连接至所述公共导电区以将对相应端子区施加的电流弓I导至所述公共导电区中。所述至少两个磁场传感器被布置在与所述公共导电区相邻的不同几何位置处，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个被配置为感测流入所述公共导电区的电流的磁场分量以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。此外，所述电流传感器可以包括评估器，被配置为评估流入所述公共导电区的每个电流的值。本发明的其他实施例提供了一种用于对测量节点中的至少三个电流进行测量的方法，其中，所述测量节点包括至少两个磁场传感器。所述方法包括利用所述至少两个磁场传感器感测流入所述测量节点的电流的磁场分量；以及基于感测到的磁场分量来评估流入所述测量节点的电流的值。本发明的一些实施例提供了一种电流传感器，用于测量与所述电流传感器的所述至少三个端子区相连接的至少三个导体中的电流分布。此外，所述至少三个端子区在所定义的区域(这里称作公共导电区)中电连接在一起，然而，在该区域外，所述至少三个端子区彼此隔离，例如通过隔离材料(isolating material).所述隔离材料使对相应端子区施加的电流弯曲，从而将所述电流引导至所述公共导电区中。在所述公共导电区中，所述电流必然由于弯曲部(bend)而改变流动方向。所述至少两个磁场传感器被放置或布置为例如与这些弯曲部接近，此处，由所述电流的流动造成的磁场最大。所述评估器可以评估或计算对每个端子区施加的电流的值，例如，评估或计算为所述至少两个磁场传感器的传感器信号的线性叠加。此外，所述评估器可以适于基于所述至少两个磁场传感器的传感器信号来评估背景磁场的值，使得可以基于所述背景磁场的值来进一步评估或计算对每个端子区施加的电流的值。可选地，可以基于所述背景磁场的值来判断测量的置信水平。
这里参照附图来描述本发明的实施例。图1示出了具有三个端子区和三个磁场传感器的电流传感器的实施例的示意图。图2示出了具有三个端子区和三个磁场传感器的电流传感器的可替换实施例的示意图。图3示出了电流传感器的示例实施例的导电元件或电流轨道的示意顶视图。图4示出了图3所示的导电元件或电流轨道的示意底视图。图5示出了电流传感器的示例实施例的导电元件或电流轨道的示意平面图。图6示出了针对对两个相邻端子区施加的电压的、电流传感器的示例实施例的导电元件上的电势分布的示意图。图7示出了针对对一个端子区施加的在两个端子区之间流动的电流的、电流传感器的示例实施例的导电元件上的总电流密度的分布的示意图。图8A和8B示出了针对对一个端子区施加的在两个端子区之间流动的电流的、电流传感器的示例实施例的导电元件上的电流密度的量值的分布的示意图。图9示出了针对对一个端子区施加的在两个端子区之间流动的电流的、电流传感器的示例实施例的导电元件上的热剖面(thermal profile)的示意图。图10示出了针对对一个端子区施加的在两个端子区之间流动的电流的、电流传感器的示例实施例的导电元件之上0. 1 mm的磁通密度的Z分量的分布的示意图。图IlA至IlD在示意图中示出了针对对一个端子区施加的在两个端子区之间流动的电流的、电流传感器的示例实施例的导电元件之上0. 1 mm、0. 2 mm、0. 3 mm和0. 4 mm的磁场的ζ分量的强度剖面(intensity profile)。图12示出了全封装电流传感器的示例实施例的顶部上的示意透视图。图13示出了图12的全封装电流传感器的实施例的示意底视图。图14示出了没有模塑料的图12的电流传感器的示例实施例的示意图。图15示出了图14的具有绝缘硅裸片(silicon die)的电流传感器的示例实施例的示意平面图。图16示出了全封装电流传感器和具有凸出信号引脚的信号引脚的可替换实施例的示意图。图17示出了具有三个端子区的全封装电流传感器的可选实施例的示意图，这三个端子区是可从顶部接近的。图18示出了具有三个端子区和三个磁场传感器的电流传感器的实施例的示意图。
图19示出了图18的电流传感器的导电元件的等效电路的实施例的示意图，其中，
第三端子区接至地。图20示出了具有四个端子区和四个磁场传感器的电流传感器的实施例的示意图。图21示出了具有三个端子区和四个磁场传感器的电流传感器的实施例的示意图。图22示出了具有三个端子区和两个磁场传感器的电流传感器的可替换实施例的示意图。图23示出了具有三个端子区和三个磁场传感器的电流传感器的可选实施例的平面图。图M示出了两个电流传感器在无半桥PFC中的应用的实施例的示意图。图25A和25B在示意图中示出了电流传感器在PFC配置中的应用的实施例。图26A和26B在示意图中示出了电流传感器在无刷DC电流感测中的应用的实施例。图27示出了用于感测测量节点中的至少三个电流的方法的实施例。图28示出了连接在公共节点处的三条线的示意图。在以下描述中，利用等同或等效的参考标记来表示等同或等效元件或具有等同或等效功能的元件。
具体实施例方式图1示出了电流传感器100的实施例的示意图。电流传感器100包括导电元件 (或电流轨道)，该导电元件(或电流轨道)具有三个端子区102_1至102_3和公共导电区104 (参见例如图4、8A和21)，其中，三个端子区102_1至102_3中的每一个连接至公共导电区 104，以将对相应端子区102_1至102_3施加的电流106_1至106_3引导至公共导电区104 中。电流传感器100还包括三个磁场传感器108_1至108_3，被布置在与公共导电区104 相邻的不同几何位置处，其中，三个磁场传感器108_1至108_3中的每一个被配置为感测流入公共导电区104的电流(例如每个电流106_1至106_3)的磁场分量，以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。图1所示的电流传感器100包括例如三个端子区102_1至102_3和三个磁场传感器108_1至108_3。电流传感器100可以包括与公共导电区104相连接的多达η个端子区 102_1至102_η，其中，η可以是大于或等于三的自然数。此外，电流传感器100可以包括 多达m个磁场传感器108_1至108_m，被配置为感测流入公共导电区104的每个电流106_1 至106_n的磁场分量，以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号，其中，m可以是大于或等于二的自然数。换言之，m个磁场传感器108_1至108_m适于感测对η个端子区102_1至 102_η施加的多达η个电流106_1至106_η。在一些实施例中，磁场传感器108_1至108_m的数目m可以等于端子区102_1至 102_n的数目η。此外，磁场传感器108_1至108_m的数目m可以大于或等于端子区102_1至 102_n的数目η (m彡η),以感测对η个端子区102_1至102_η施加的η个独立电流106_1 至106_η。可选地，磁场传感器108_1至108_m的数目m可以比端子区102_1至102_n的数目η小1，其中，可以基于m个磁场传感器108_1至108_m的传感器信号以及基尔霍夫电流电流定律来计算对η个端子区102_1至102_η施加的η个独立电流106_1至106_η。以下，描述具有至少三个端子区102_1至102_η (η ≥ 3)和至少三个磁场传感器 108_1至108_m (m≥3)的示例电流传感器100。此外，磁场传感器108_1至108_m的数目 m可以大于或等于端子区102_1至102_n的数目η (m彡η)。以下描述也适用于电流传感器100的其他实施例。在图1所示的电流传感器100的本实施例中，磁场传感器108_1至108_m的数目 m被选择为3 (m=3)。此外，端子区102_1至102_n的数目η被选择为3 (η=3)。流入公共导电区104的每个电流可以通过至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)中的每一个来产生磁场。此外，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ≥3)可以被布置为使得感测到的磁场分量最大或者处于具有针对一个特定电流的最大磁场强度的至少50%或80%的范围内。例如，针对对一个特定端子区102_1至102_n施加的电流或者针对两个特定端子区102_1至102_n之间的电流。包括公共导电区104和至少三个端子区102_1至102_η (η≥3)的导电元件可以被形成或布置为使得流入公共导电区104或在至少三个端子区102_1至102_η (η≥3)之间流动的不同电流106_1至106_η的电流密度在不同几何位置处最大。例如，流入公共导电区104的第一电流106_1的电流密度可以在第一几何位置处最大，其中，流入公共导电区 104的第二电流106_2的电流密度可以在第二几何位置处最大，并且其中，流入公共导电区 104的第三电流106_3的电流密度可以在第三几何位置处最大。最大电流密度意味着最大磁场，使得至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ≥ 3)可以被放置或布置在对应的几何位置处，其中，电流密度和从而得到的磁场分量最大或者处于具有最大磁场强度的至少50% 或80%的范围内。此外，电流传感器100可以包括评估器，被配置为评估流入公共导电区104的每个电流106_1至106_n的值。可选地，评估器可以包括用于输出流入公共导电区104的每个电流106_1至106_n的值的输出端。在可能的应用中，可以将图1所示的具有三个端子区102_1至102_3和三个磁场传感器108_1至108_3的电流传感器100放置在电路中，作为将三条导线或线相连接的节点。从而，电流传感器100可以同时测量所有三个电流106_1至106_3。这节约了空间、成本、体积、材料、复杂度和耗散，并提高了可靠性。此外，本发明的实施例允许同时测量所有三个电流，而无需用于计算第三电流的 DSP (DSP=数字信号处理器)能力。从而，创造了成本收益，并且，客户可以集中于仅需要电流值的应用。最后，将组件的量减少至单个组件(或电流传感器100)允许另外的功耗和精度优化。在具有背景磁场的环境中，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ≥ 3)将不仅感测或检测由流入公共导电区104的每个电流106_1至106_n造成的磁场的分量，而且将感测或检测背景磁场的分量。为了补偿或最大化感测到的背景磁场分量，评估器还可以被配置为基于至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ≥ 3)中的每一个的传感器信号来导出背景磁场的值，并基于背景磁场的值来评估或估计流入公共导电区104的每个电流106_1 至106_n的值。
附图示出了 x-y-z坐标系的各个轴，其中，χ轴和y轴定义了与导电元件平行的横向平面或横向维度，该导电元件包括公共导电区104和至少三个端子区102_1至102_n (η ^ 3)，并且其中，ζ轴定义了与电流传感器100的导电元件垂直的垂直维度。至少三个磁场传感器108_1至108_m (m彡3)可以被布置在与公共导电区104相邻的不同几何位置处。例如，至少三个磁场传感器108_1至108_m(m ^ 3)可以被布置为使得可以将流入公共导电区104的至少三个电流106_1至106_η (η彡3)作为至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)中的每一个上的磁场的叠加来同时测量或计算。因此，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)可以被布置在圆110上，其中，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m彡3)可以与导体(或导电元件)隔离。此外，至少三个磁场传感器 108_1至108_m (m彡3)可以被对称地布置在圆110上。圆110的中心点112可以与公共导电区104的中心点重合或匹配。此外，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m彡3)可以是(360° /m)对称布置的。如果电流传感器100包括三个磁场传感器108_1至108_3， 则三个磁场传感器108_1至108_3可以是120°对称布置的。如果电流传感器100包括四个磁场传感器108_1至108_4，则四个磁场传感器108_1至108_4可以是90°对称布置的。此外，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)(或对应的磁场传感器108_1 至108_m的有效或有源敏感区的中心)可以被布置在两个相邻端子区102_1至102_n之间的圆110上。在图1中，三个磁场传感器108_1至108_3被布置在接近槽缝(slot)的末端， 或者换言之，被布置在两个相邻端子区之间。因此，第一磁场传感器108_1可以被放置在第一和第二端子区102_1和102_2之间。此处，磁场的ζ分量最大或者处于具有最大磁场强度的至少50%或80%的范围内。因此，三个磁场传感器108_1至108_3可以是对磁场的ζ 分量敏感的磁场传感器。因此，在一些实施例中，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)可以是霍尔传感器、霍尔板或者被配置为感测由要测量的电流106_1至106_n导致或造成的磁场的ζ 分量的任何其他磁场传感器元件。图2示出了具有三个端子区102_1至102_3和三个磁场传感器108_1至108_3的电流传感器100的可替换实施例的示意图。与图1相比，在图2中，三个端子区102_1至 102_3中的每一个被布置为限定中心线114_1至114_3，其中，三个端子区102_1至102_3 的中心线114_1至114_3相交于中心点112，并且其中，三个磁场传感器108_1至108_m中的每一个(或对应的磁场传感器108_1至108_3的有效或有源敏感区的中心)被布置在相应端子区102_1至102_3的中心线114_1至114_3上与中心点112相距所定义的距离处。此外，三个磁场传感器108_1至108_3中的每一个可以被布置在相应端子区102_1至102_3 的中心线114_1至114_3上与中心点112相距相等距离处。一般地，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)可以被布置在具有几何对称形式(例如，关于中心点)的任何圆周线上。至少三个磁场传感器108_1至108_m(m ^ 3) 的对称布置可以提高电流测量结果的精度。然而，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)的非对称布置也是可能的，其中，可以基于电流传感器100的校准来提高电流测量结果的精度。此外，评估器可以被配置为基于例如校准数据来评估流入公共导电区的每个电流106_1至106_n的值。如图2所示，三个磁场传感器108_1至108_3可以被布置在槽缝的末端之间的中心线114_〗至114_3上。此处，磁场的平面内分量最大或者处于具有最大磁场强度的至少 50%或80%的范围内。因此，三个磁场传感器108_1至108_3可以是对磁场的与电流流动方向垂直的平面内分量(或χ-y分量)敏感的磁场传感器(例如垂直霍尔器件或磁控电阻器 MR,如(各向异性 MR) AMR、(巨 MR) GMR、(隨道 MR) TMR 禾口 (庞 MR) CMR)。图2所示的电流传感器100包括例如三个端子区102_1至102_3和三个磁场传感器108_1至108_3。当然，思想可以被一般化为测量流入公共节点(或具有η个端子区102_1 至102_η的电流传感器节点)的四个或更多个电流106_1至106_η。此外，至少三个磁场传感器108_1至108_m(m彡3)可以是分立的传感器，其中，传感器信号可以被发送至集成电路或微处理器，该集成电路或微处理器计算流入公共导电区 104的至少三个电流106_1至106_η (η彡3)的值。可替换地，至少三个磁场传感器108_1 至108_m 3)可以是集成电路的一部分。该集成电路可以包括半导体衬底和与电路耦合的多个电子器件。因此，该衬底可以是硅芯片或可常用在厚膜技术中的任何其他衬底。此外，集成电路可以包括PCB (PCB=印刷电路板)、微处理器、DSP、FPGA (FPGA=现场可编程门阵列)或其他计算方案。导电元件可以包括具有至少3*10~7 S/m电导率的均质导电材料。因此，对于导电元件，铜或铝合金是合适的，其中，可以不包含磁性添加物(magnetic addition)。否则，使用具有大的片厚度(从0. 3 mm起)的磁性添加物(例如钴或铁)，以使材料更硬从而较不柔软且尺寸上更稳定。如图1或图2所示，三个端子区102_1至102_3在公共导电区104外的区域中彼此隔离，例如通过隔离材料。隔离材料使对相应端子区102_1至102_3施加的电流106_1 至106_3弯曲，从而将电流106_1至106_3引导至公共导电区104中。如图1或2所示，电流传感器100的导电元件可以是具有至少三个槽缝以形成至少三个端子区102_1至102_η (η彡3)的圆形片状导体。在这种情况下，至少三个端子区 102_1至102_η (η彡3)可以通过隔离材料(例如空气)彼此隔离。还可以从片状导体切开其他形状，例如，尖端向着结构中心的三角形或者从片金属切开的60°角或90°角。此外，导电元件的至少三个端子区102_1至102_η (η彡3)可以是沿着圆以 (360° /n)对称的方式对称布置的。因此，具有三个端子区102_1至102_3的电流传感器的端子区可以是120°对称布置的，其中，具有四个端子区102_1至102_4的电流传感器100 的端子区可以是90°对称布置的。可替换地，如果不是所有电流106_1至106_11都相等或大小相同，则一些端子区102_1至102_11可以小于其他端子区。例如，在具有中性导体的三相系统中，与中性导体相对应的端子区可以小于其他端子区。此外，电流传感器100的公共导电区104可以被布置在圆心处。在一些实施例中，至少三个磁场传感器108_1至108_m(m彡3)可以紧密地彼此耦合并耦合至导电元件。由于被布置在一个衬底上，所述至少三个磁场传感器108_1至108_
3)可以包括相对于彼此的极小位置容限和极小参数散射。此外，导电元件可以由一个固体件制成，使得不需要将至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)中的每一个分别置于导电元件上。因此，仅需要对准与导电元件邻近的衬底，例如，模板。该设置导致耦合，其特征在于至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)中的每一个暴露于流入公共导电区104的每个电流106_1至106_n的磁场分量。该耦合可以使用简单的手段(例如，线性方程组)来算术求解。此外，至少三个磁场传感器108_1至108_m (m彡3)可以具有几乎相同的温度，这是由于导电元件中具有最高阻抗的部分(其为公共导电区104)的温度增加主要导致衬底 (或硅裸片)的均勻温度增加，以及由于温度梯度小至少一个量级。换言之，流入公共导电区 104的每个电流106_1至106_n可以提供每个磁场传感器108_1至108_m的平均温度增加， 其中，两个磁场传感器108_1至108_m之间的温度增加的最大容限可以相当于平均温度增加的10%。在一些实施例中，可以通过将导体连接至具有多个接触部(或至少三个端子区 102_1至102_n (η ^ 3))的片状导体来测量连接在公共节点处的多个导体中的电流分布。 所有接触部在所定义的区域(或公共导电区104)中电连接在一起，而在该区域外，所有接触部通过槽缝/冲压成型的/蚀刻成型的部件彼此分离。此处，电流106_1至106_n必然由于弯曲部而改变流动方向。至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)可以被放置为靠近这些弯曲部，此处，要测量的电流106_1至106_n的磁场最大。每个接触部(或至少三个端子区102_1至102_η (η彡3)中的每一个)中的电流106_1至106_η可以被计算为至少三个磁场传感器108_1至108_m (m ^ 3)中的每一个上的磁场的线性叠加。此外，可以估计背景磁场干扰，以判断测量的置信水平。电流传感器100的一些实施例包括具有三个槽缝和处于槽缝之间的三个大接触部(或端子区102_1至102_3)的片状导体。三个磁场传感器108_1至108_3可以被放置在槽缝的末端附近(或者槽缝的末端之间)的导体(或导电元件)之上。此外，磁场传感器108_1 至108_3可以通过隔离材料与导体(或导电元件)电隔离。如果磁场传感器108_1至108_3 具有对作用于它们的磁场的线性响应，则经过每个接触部(或端子区102_1至102_3)的电流等于磁场传感器的信号的线性组合。此外，系统(或电流传感器100)还可以计算作用于所有三个磁场传感器108_1至108_3的平均外部磁场，这表示不是由要测量的三个电流106_1 至106_3造成的任何磁干扰。以下，将参照电流传感器100的示例实施例来描述电流传感器100的功能和电流计算。电流传感器100可以是用于三相电流测量的CLMCS (CLMCS=无核磁电流传感器)，其中，磁场传感器108_1至108_3可以是霍尔板。当然，以下描述也适用于电流传感器100的其他实施例。图3示出了电流传感器100的示例实施例的导电元件或电流轨道的示意顶视图。 导电元件是具有三个槽缝以形成三个端子区102_1至102_3的圆形片状导体。三个端子区 102_1至102_3是沿着圆以120°对称的方式对称布置的，其中，圆的中心点与公共导电区 104的中心点重合或匹配。一方面，将导电元件形成或勾勒(profile)为片状导体的目的是提高机械稳定性。 另一方面，可以利用该轮廓来创建隆起(elevation)。如果将衬底(如硅裸片)放置在其上， 并且如果所述衬底在其底侧具有薄的电绝缘体，则可以通过使衬底在所有侧伸出到隆起之外(例如伸出0.5 mm)来实现相当强的电压保持能力(电压隔离)。该轮廓的另一原因在于稍后在图12和13中描述的封装的模塑料可以填充立面下面的所得到的浅空腔，其中，可以避免由在焊接到PCB (PCB=印刷电路板)上期间对模块(或电流传感器100)的不正确放置造成或由无意的焊桥造成的错误短路。
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此外，可以增强图3所示的电流传感器100以感测对η个端子区102_1至102_η 施加的多达η个电流106_1至106_η，其中，η个端子区102_1至102_η可以是(360° /n) 对称布置的。图4示出了图3所示的导电元件或电流轨道的示意底视图。三个端子区102_1至 102_3具有1 mm厚度(或者在0.2 mm与2 mm之间或在0.6 mm与1. 4 mm之间)。中心裂缝 (或者隆起，或公共导电区104)从接触部(或端子区102_1或102_3)表面(=半剪切(half shear))凸出0.5 mm (或者在0. 1 mm与1 mm之间或在0.3 mm与0. 7 mm之间)，其中，圆顶端120_1至120_3的曲率半径等于0. 5 mm (或者在0. 1 mm至1 mm之间或在0. 3 mm至 0. 7 mm之间)。在一些实施例中，三个端子区102_1至102_3中的每一个是(电)接触部，其中，仅相应端子区102_1至102_3的顶和/或底表面可以是具有周围物(例如具有导体)的真正(电)接触区。因此，(电)接触区可以被定义为相应端子区102_1至102_3中被焊料所覆盖的用于与用作电流输入端或输出端的导体相接触的的区域。例如，图4所示的三个端子区102_1至102_3中的每一个的表面(底侧)可以是接触区。可替换地，图3所示的三个端子区102_1至102_3中的每一个的表面(顶侧)可以是接触区。图5示出了电流传感器100的示例实施例的导电元件或电流轨道的示意平面图， 其中，半径的尺寸是以毫米为单位给出的。如上所述，圆顶端120_1至120_3的曲率半径等于0. 5 mm (或者在0. 1 mm至1 mm之间或在0. 3 mm至0. 7 mm之间)。此外，3 mm (或者在 1 mm与6 mm之间或在2 mm与4 mm之间)直径的圆可以内接在顶端120_1至120_3内。每个接触部(或端子区102_1至102_3)的大小为86. 3 mm2 (或者在20 mm2至160 mm2之间或在50 mm2至120 mm2之间)，这在焊接的情况下可以适于大约1，700 A的均勻电流。如果霍尔板108_1至108_3被放置在一个边缘的角落处和与锯切边缘相距100 μ m的相对边缘的中心处，则稍后在图14中描述的硅裸片可以具有2. 4 mmX2.9 mm(或者在0. 8 mmXO. 8 mm 与5 mmX5 mm之间或在2 mmX2 mm与4 mmX4 mm之间)的面积，其等于7 mm2的面积。在一些实施例中，实现电节点(或公共导电区104)的导体(或导电元件)的内部连接件可以小于三个磁场传感器108_1至108_3所跨越的区域。在特征尺寸为0.35 μπι的传统CMOS技术中，对三个磁场传感器108_1至108_3的磁场进行测量和放大并根据该磁场计算电流分布的电路可能需要5 mm2至8 mm2的硅(或硅裸片)面积，使得三个端子区102_1 至102_3的内部连接节点(或公共导电区104)可以小于5 mm2至8 mm2。此外，导电元件或电流轨道的外径可以由最大可容许电流密度的要求来确定。典型地，焊接接触点可以永久支持20 A至30 A每mm2。因此，对于500 A电流传感器100，每个接触部或端子区102_1至102_3必须提供近似20 mm2的可焊接区域。图6示出了针对对两个相邻端子区102_1和102_3施加的10 mV电压的、电流传感器的示例实施例的导电元件上的电势分布的示意图。对两个端子区102_1和102_3的周边施加10 mV (或在1 mV与500 mV之间)提供了比接触部(或三个端子区108_1至108_3) 被焊接至大电流轨道的情况更大的电阻。然而，在DCB模块(DCB=直接铜键合)(用于逆变器和类似的功率电路)中，迹线仅0.2 mm至0.3 mm,比电流传感器100的接触部(或三个端子区102_1至102_3)明显更薄。因此，电流主要在接触部(或三个端子区102_1至102_3) 中横向流动，这由接触周边的方法近似。如果假定电流传感器100的导电元件的电导率是 43 * IO6 S/m (对于引线框的非磁性铜等级)，则电阻等于68 μ Ohm (在室温下)。
图7示出了针对对一个端子区102_1或102_3施加的在两个端子区102_1和102_3 之间流动的146A(或者在50 A与300 A之间或在100 A与200 A之间)的、电流传感器100 的示例实施例的导电元件上的总电流密度的分布的示意图。如图7所示，可以对第一端子区102_1施加146A的电流，其中，电流从第一端子区102_1流入第三端子区102_3，使得对第三端子区102_3施加的电流可以相当于-146A，反之亦然。此外，第二端子区102_2中的电流或对第二端子区102_2施加的电流可以相当于OA。因此，第二端子区102_2可以是开路的。图7示出了例如对第一端子区102_1施加的电流从第一端子区102_1流入公共导电区104然后流入第三端子区102_3，其中，电流密度的量值在第一和第三端子区102_1和 102_3之间的顶端120_3处增大。电流密度的量值还在在端子区102_1和102_2之间以及端子区102_2和102_3之间的顶端120_1和120_2处稍微增强。图8A和8B示出了针对对一个端子区102_1或102_3施加的在两个端子区102_1 和102_3之间流动的146A的、电流传感器100的示例实施例的导电元件上的电流密度的量值的分布的示意图。如图所示，电流密度的量值在三个端子区102_1至102_3之间的顶端120_1至120_3处增强，其中，电流密度的量值在用作电流输入端和输出端的两个端子区 102_1和102_3之间的顶端120_3处具有局部最大值。电流密度的量值的增强是0. 55比 1. 369，其为因子2. 49。因此，三个磁场传感器可以被放置在顶端102_1至120_3处或与顶端102_1至120_3相邻处，此处，由增强的电流密度造成的磁场的ζ分量最大或者处于具有最大磁场强度的至少50%或80%的范围内。图9示出了针对对一个端子区102_1或120_3施加的在两个端子区102_1和102_3 之间流动的146A的、电流传感器100的示例实施例的导电元件上的热剖面的示意图。这可以在1. 465905 W的耗散下导致1. 03°C的超温，进而导致0. 703°C /W的热电阻。在图9中， 电流传感器100的导电元件的周边被钳位为0°C。此外，假定T/结温)保持低于150°C并且客户可以提供足够的冷却以将接触部(或三个端子区102_1至102_3)的周边保持在100°C， 那么最大允许耗散为71 W，与834 A的电流相对应。图10示出了针对对一个端子区102_1或102_3施加的在两个端子区102_1和 102_3之间流动的146A的、电流传感器100的示例实施例的导电元件之上0. 1 mm的磁通密度的ζ分量的分布的示意图。磁通密度的ζ分量的最大幅度在第二和第三端子区102_2和 102_3之间的顶端120_2处相当于17. 6 mT，其中，磁通密度的ζ分量的最小幅度在第一和第三端子区102_1和102_3之间的顶端120_3处相当于30. 4 mT。假定为理想电流传感器 100，那么，由于对称，用作电流输入端和输出端的端子区102_1和102_3之间的顶端120_3 处的磁通密度的ζ分量的幅度的绝对值可以为顶端120_1和120_2处的磁通密度的ζ分量的幅度的绝对值的两倍高，这分别得到200 μΤ/Α和100 μΤ/Α的绝对值。换言之，图10示出了磁通密度的ζ分量在用作电流106_1和106_3输入端和输出端的两个接触部(或端子区 102_1和102_3)之间的槽缝的角落(或顶端120_3)附近最大。因此，第三霍尔板108_3可以被放置在顶端120_3处或与顶端120_3相邻处，其中，第一和第二霍尔板108_1和108_2 可以分别被放置在顶端120_1和120_2处。 图1IA至1ID在示意图中示出了针对对一个端子区102_1或102_3施加的在两个端子区102_1和102_3之间流动的146Α的、电流传感器的示例实施例的导电元件之上0. 1mm、0. 2 mm、0. 3 mm和0. 4 mm的磁场的ζ分量的强度剖面。如图IlA至IlC所示，如果磁场传感器108_1至108_3的距离从导体(或导电元件)之上0. 1 mm增大至0. 2 mm或者甚至增大至0. 3 mm，则磁场的峰值幅度并不严重降低。因此，可以将薄的隔离小片置于例如硅裸片 140与导体(或者导电元件或公共导电区104)之间。(磁)场相对于垂直距离的轻微下降的原因是如上所述的具有1 mm厚度的相对较厚的导体(或导电元件)。图IlD还示出了导电元件之上0. 4 mm的磁场的ζ分量的强度剖面。假定霍尔板处于导体之上0. 2 mm(例如，60 μ m裸片厚度+10 μ m焊料厚度+2. 5 μ m金属厚度+115 μ m隔离小片厚度+2. 5 μ m金属厚度+10 μ m焊料厚度)，那么磁场为大约-24 mT和+12 mT。那么，每个电流106_1至106_3的信号为在145 A处大约36 mT。 如果每个霍尔探头的零点误差为50 μΤ，则两个霍尔探头具有sqrtQ) * 50 μ T (的零点误差)，与观5 mA相对应。这是834 A的0. 034%，其为69 dB的动态范围。834 A处的最强场为大约140 mT。此处，硅霍尔板的固有非线性为大约(0. 14X0. 14)2 = 0. 04%(=μ2 * B2 =霍尔角的正切的平方)。因此，对于这些场强，霍尔效应仍为适度线性的。图12示出了全封装电流传感器100的示例实施例的顶部上的示意透视图。可以利用模塑料132来封装包括公共导电区104和三个端子区102_1至102_3的电流传感器100 或CLMCS节点，其中，三个霍尔板108_1至108_3或者包括这三个霍尔板108_1至108_3的集成电路可以经由三个信号引线130_1至130_3而接触。三个信号引线130_1至130_3可以用于给三个磁场传感器108_1至108_3供应电能。此外，三个信号引线130_1至130_3 可以用于通信目的以及用于提供传感器信号。此外，图12所示的模塑料132具有可增大信号引线130_1至130_3与电流轨道(或导电元件)之间的爬电距离的轮廓。图13示出了图12的全封装电流传感器100的实施例的示意底视图。接触部(或三个端子区102_1至102_3)通过模塑料132而分离，以便在接触部焊接至例如DCB板时降低短路的风险。为了确保良好的接触，接触部(或三个端子区102_1至102_3)可以从模塑 (材料)132凸出大约0. 2 mm(或者在0. 05 mm与0. 5 mm之间或在0. 1 mm与0. 3 mm之间)。图14示出了没有模塑料132的图12的电流传感器100的示例实施例的示意图。 电流传感器100可以包括硅裸片140，硅裸片140通过隔离小片142与公共导电区104隔离。集成电路140可以包括三个霍尔板108_1至108_3，其中，集成电路可以经由三个信号引线130_1至130_3而连接。根据图14，所有三个传感器元件(或霍尔板108_1至108_3)可以安装在单个半导体裸片140上。隔离小片142可以是某种类型的电隔离部，例如玻璃、瓷器、陶瓷或某种聚酰亚胺，如Kapton。还可以在分立的构建设置中直接在PCB上或在导电材料上使用三个分立的传感器元件(或磁场传感器108_1至108_3)(例如，在特殊封装内)，然后在μ C ( μ C= 微控制器)、DSP、FPGA或其他计算方案中将其输出稍后组合在印刷电路板上。在一些实施例中，三个磁场传感器108_1至108_3中的每一个可以包括传感器引线130_1至130_3。从而，导电元件可以以几何方式布置在第一平面中，其中，三个磁场传感器108_1至108_3的传感器引线130_1至130_3可以以几何方式布置在第二平面中，其中，第一平面和第二平面彼此相邻且隔离，其中，该隔离可以适于提供至少400 V的击穿电压(例如，由于材料参数或形成而引起)。此外，三个磁场传感器108_1至108_3可以位于底部芯片侧(=与隔离小片142更接近的侧)，从而它们与导电元件更接近。如果所有电路元件以及端子垫片(或信号引脚)位于底部芯片侧，则隔离小片142可以支撑在与端子垫片(或信号引脚)相接触且具有1 μπι 至10 ym之间(例如大约5 μ m)的厚度的顶侧薄导电迹线上。在这种情况下，隔离小片 142可以至少在一侧突出到芯片之外，其中，薄导电迹线伸出。那么，三个信号引线130_1至 130_3可以在隔离小片142上附着至导电迹线。此外，隔离小片142可以完全由绝缘材料构成。此外，隔离小片142可以包括导电支撑材料，在该导电支撑材料的一侧，可以布置绝缘薄膜。当绝缘膜位于隔离小片142的顶侧时，硅芯片(或硅裸片140)可以小于隔离小片 142并在所有侧与隔离小片142的边缘具有最小距离。导电元件的隆起可以小于或大于隔离小片142，其中，图14中示出了后一种情况。可替换地，如果绝缘膜位于隔离小片142的底侧上，则导电元件的隆起可以充分小于隔离小片142，使得在所有侧可以存在导电元件与隔离小片142的边缘之间的最小距离。硅芯片(或硅裸片140)可以小于或大于隔离小片142，其中，在后一种情况中，导电元件的剖面的高度必须保证导电元件与芯片(或硅裸片140)之间的垂直距离可以足够大以实现足够高的击穿电压。图15示出了具有隔离的硅裸片140的电流传感器100的示例实施例的示意平面图。硅裸片140和隔离小片142是透明的，以提供磁场传感器元件(或霍尔板108_1至 108_3)的视图以及其相对于槽缝的位置(或布置)。如图15所示，三个霍尔板108_1至108_3 中的每一个被布置在两个相邻端子区102_1至102_3之间，或者换言之，被布置在对应的顶端 120_1 至 120_3 处。图16示出了具有信号引线130_1至130_3和凸出信号引脚的全封装电流传感器的可替换实施例的示意图。从电流传感器100的顶部模塑表面132凸出的信号引脚可以更容易制造。图17示出了具有三个端子区102_1至102_3的全封装电流传感器100的可选实施例的示意图，这三个端子区102_1至102_3是可从顶部接近的。如果要焊接接触部(或三个端子区102_1至102_3)(例如，要超声焊接至DCB模块(DCB=直接铜键合)上的迹线或大的汇流条)，那么必须可从顶部接近接触部(或三个端子区102_1至102_3)，使得焊嘴可以在其上施加垂直的力。图17中示出了该选项的封装。此外，三个端子区102_1至102_3可以处于通过模塑料132彼此隔离的公共导电区104外的区域中。此外，可以根据隔离需求来缩放封装的高度。还可能的是，信号引线130_1至 130_3延伸至顶部模塑表面之上的垂直方向，以得到通孔器件。然后，可以使用印刷电路板 (PCB)在CLMCS节点传感器(或电流传感器100)与系统的其余部分(例如，电机控制系统) 之间进行电连接。以下，参照图18来描述传感器信号处理的示例实施例，其中，电流传感器100的评估器被配置为执行所描述的传感器信号处理。当然，以下描述也适用于电流传感器100的其他实施例。在传感器信号处理的以下描述中对三个霍尔板108_1至108_3加标签HI、H2和 H3，并且，对接触部(或三个端子区102_1至102_3)加标签C1、C2和C3。从而，霍尔板Hl被布置在接触部Cl和C2之间，霍尔板H2被布置在接触部C2和C3之间，并且霍尔板H3被布置在接触部C3和Cl之间。严格来讲，霍尔板Hl处于槽缝的末端之上，该槽缝处于接触部 Cl和C2之间，等等。类似地对电流106_1至106_3加标签，其中，电流Il流入接触部Cl， 电流12流入接触部C2，并且电流13流入接触部C3。 以下各式可以成立
Il + 12 + 13 = 0.(1)
K11*I1 + K12*I2 + K13*I3 = Bl(2)
K21*I1 + Κ22*Ι2 + Κ23*Ι3 = Β2(3)
Κ31*Ι1 + Κ32*Ι2 + Κ33*Ι3 = Β3(4) 其中，Β1、Β2和Β3是在不存在均勻磁干扰BO的情况下对应霍尔板Η1、Η2和Η3处的磁通密度(垂直分量或ζ分量)，并且其中，Kiij (i, j :1..3)是K矩阵的系数，其中，K矩阵可以是电流传感器100的校准矩阵。如果存在均勻磁干扰B0，则方程(2)、(3)和(4)可以
扩展如下
K11*I1 + K12*I2 + K13*I3 +BO = Bl(2，)
K21*I1 + Κ22*Ι2 + Κ23*Ι3 +BO = Β2(3，)
Κ31*Ι1 + Κ32*Ι2 + Κ33*Ι3 +BO = Β3(4，)。由于系统(或电流传感器100)的对称性，K矩阵仅可以具有三个自由度
权利要求
1.一种电流传感器，包括导电元件，具有至少三个端子区以及公共导电区，其中，所述至少三个端子区中的每一个连接至所述公共导电区以将对相应端子区施加的电流弓I导至所述公共导电区中；以及至少两个磁场传感器，被布置在与所述公共导电区相邻的不同几何位置处，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个被配置为感测流入所述公共导电区的电流的磁场分量以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，还包括评估器，被配置为基于所述至少两个磁场传感器的传感器信号来确定流入所述公共导电区的每个电流的值。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，所述评估器被配置为基于所述至少两个磁场传感器的传感器信号来导出背景磁场的值，并且进一步基于所述背景磁场的值来确定评估流入所述公共导电区的每个电流的值。
4.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，所述评估器包括用于输出流入所述公共导电区的每个电流的值的输出端。
5.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，流入所述公共导电区的每个电流通过所述至少两个磁场传感器中的每一个来产生磁场。
6.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器被布置在所述导电元件的与几何圆相对应的不同位置处。
7.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器被对称地布置在所述导电元件的与几何圆相对应的不同位置处。
8.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个被布置在两个相邻端子区之间。
9.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少三个端子区中的每一个被布置为限定与其相关联的中心线，其中，所述至少三个端子区的中心线相交于中心点，并且其中所述至少两个磁场传感器中的每一个被布置在相应端子区的中心线上与所述中心点相距所定义的距离处。
10.根据权利要求9所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个被布置在相应端子区的中心线上与所述中心点相距相等距离处。
11.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器是分立的传感O
12.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器是集成电路的一部分。
13.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，流入所述公共导电区的每个电流向所述至少两个磁场传感器中的每一个提供平均温度增加，其中，两个磁场传感器之间温度增加的最大容限相当于所述平均温度增加的10%。
14.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少三个端子区在所述公共导电区外的区域中通过隔离材料彼此隔离。
15.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述导电元件是具有至少三个切开槽缝以形成所述至少三个端子区的圆形片状导体。
16.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少三个端子区是沿着几何圆对称布置的。
17.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，在平面图中，所述公共导电区被所述至少两个磁场传感器围绕。
18.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述导电元件包括电导率为至少3*10~7 S/m的均质导电材料。
19.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个包括传感器引线，并且其中所述导电元件是在第一平面中以几何方式布置的，其中，所述至少两个磁场传感器的传感器引线是在第二平面中以几何方式布置的，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此相邻且隔离，其中，该隔离适于提供至少400 V的击穿电压。
20.一种电流传感器，包括片状导电元件，具有至少三个切开槽缝以形成至少三个端子区，所述至少三个端子区在公共导电区外彼此隔离，并且每一个端子区被配置为将对相应端子区施加的电流引导至所述公共导电区中；以及至少三个磁场传感器，被布置在圆上与所述公共导电区相邻的不同几何位置处，其中， 所述至少三个磁场传感器中的每一个被配置为感测流入所述公共导电区的电流的磁场分量以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。
21.一种电流传感器，包括导电元件，具有η个端子区以及公共导电区，其中η至少为3，其中，所述η个端子区中的每一个连接至所述公共导电区并被配置为将对相应端子区施加的电流引导至所述公共导电区中；以及m个磁场传感器，其中m至少为2，所述m个磁场传感器被布置在与所述公共导电区相邻的不同几何位置处，其中，所述m个磁场传感器中的每一个被配置为感测流入所述公共导电区的电流的磁场分量以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。
22.根据权利要求21所述的电流传感器，其中，m=n。
23.根据权利要求21所述的电流传感器，其中，m=n-l。
24.根据权利要求21所述的电流传感器，其中，m=n+l。
25.一种用于对测量节点中的至少三个电流进行测量的方法，其中，所述测量节点包括至少两个磁场传感器，所述方法包括利用所述至少两个磁场传感器感测流入所述测量节点的电流的磁场分量；以及基于感测到的磁场分量来评估流入所述测量节点的电流的值。
26.根据权利要求25所述的用于对测量节点中的至少三个电流进行测量的方法，还包括以下步骤基于感测到的磁场分量来评估背景磁场的值；以及进一步基于所述背景磁场的值来评估流入所述测量节点的每个电流的值。
全文摘要
本发明涉及电流传感器。本发明的实施例提供了一种包括导电元件和至少两个磁场传感器的电流传感器。所述导电元件包括至少三个端子区以及公共导电区，其中，所述至少三个端子区中的每一个连接至所述公共导电区，以将对相应端子区施加的电流引导至所述公共导电区中。所述至少两个磁场传感器被布置在与所述公共导电区相邻的不同几何位置处，其中，所述至少两个磁场传感器中的每一个被配置为感测流入所述公共导电区的每个电流的磁场分量以基于感测到的磁场分量来提供传感器信号。
文档编号G01R19/00GK102565506SQ201110367738
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者U.奥塞莱希纳, W.舍尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司