用于电流感测的装置和方法与流程

本申请涉及用于电流感测的装置和方法。

背景技术：

在电场中的各种应用中，需要测量在装置或其部分内或者在装置或其部分之间流动的电流。在一些应用中，例如在电动车辆和其它高功率装置中，需要在宽范围的电流值(例如从几毫安(mA)至几千安(kA))内精确测量电流。此外，高达几千安的电流通常需要具有相当大横截面的电导体，以使损耗和发热最小化。通常，例如通过使用磁通集中器的闭环霍尔传感器来完成这样的大电流的感测。这样的传感器相当大且重，并且具有相当高的成本。另一种方法涉及使用分流电阻器，这些考虑也适用于分流传感器，并且此外，该分流电阻器不与电流隔离，并且由于对电磁干扰的敏感性而对杂散场具有低的容忍性。

技术实现要素：

根据一个实施例，提供了一种用于电流感测的装置，包括：

电导体，以及

多个磁阻传感器元件，其中，多个磁阻传感器元件的第一子集被设置在电导体的第一侧上，并且多个磁阻传感器元件的第二子集被设置在电导体的与第一侧相对的第二侧上。

根据另一实施例，提供了一种用于电流感测的方法，包括：

设置电导体，以及

设置多个磁阻传感器元件，所述多个磁阻传感器元件位于电导体的相对侧上。

根据另一实施例，提供了一种用于电流感测的装置，包括：

电导体，

包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件的第一壳体，其中，第一壳体被设置在电导体的第一侧上，

包括第三磁阻传感器元件和第四磁阻传感器元件的第二壳体，第二壳体被设置在电导体的与第一侧相对的第二侧上，以及

电连接件，电连接件以桥接配置连接第一磁阻传感器元件至第四磁阻传感器元件。

以上概述仅旨在给出对一些可能实施例的简要概述，而不应被解释为限制性的。

附图说明

图1是根据一个实施例的示例装置。

图2A是与导体相关联的磁场传感器的平面图。

图2B是图2A的磁场传感器和导体的截面图。

图3是示出导体周围的磁场分布的图。

图4是示出沿着图3的线A-A'的磁场分布的曲线图。

图5是根据一个实施例的装置的截面图。

图6是图5的装置的一部分的等效电路。

图7是示出根据一个实施例的用于制造装置的方法的流程图。

图8A至图8C以截面图示出了根据一个实施例的装置的各种制造阶段。

图9A至图9C示出了图8A至图8C的制造阶段的平面图。

图10示出了能够在一些实施例中使用的磁阻传感器的灵敏度曲线。

图11至图20示出了根据实施例的各种装置。

具体实施例

在下文中，将参考附图详细讨论各种实施例。这些实施例仅以示例的方式给出，并且不应被解释为限制性的。例如，尽管实施例可以被描述为包括许多特征、细节或元件，但是在其它实施例中，这些特征、细节或元件中的一些可以被省略或者可以被替选的特征、细节或元件代替。此外，除了在附图中示出或在本文中描述的特征、细节和元件之外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以设置未明确示出和描述的另外的特征、元件或部件，例如在电流感测中常规使用的部件。

除非另有说明，否则可以对来自不同实施例的特征或元件进行组合。关于一个实施例描述的变型和修改也可以适用于其它实施例。

在本文中讨论的一些实施例涉及使用磁阻传感器来感测电流的技术。磁阻传感器是使用磁阻效应的传感器，磁阻效应响应于磁场而改变磁阻传感器的电阻。能够用于这样的传感器的磁阻效应包括各向异性磁阻效应(AMR)、巨磁阻效应(GMR)或隧道磁阻效应(TMR)。这些效应在本文中将被统称为XMR效应，并且使用XMR效应的相应传感器、器件和元件等将被称为XMR传感器、器件、元件等。本文使用的导体是指电导体，即传导电流的结构、材料、器件等。

在实施例中，使用多个XMR传感器元件——例如至少四个XMR传感器元件或两个XMR元件结合两个(非XMR)电阻元件(如参考电阻器或有效地充当电阻器的其它部件)——以电流隔离的方式测量电流。流过导体的电流产生磁场，该磁场可以由XMR传感器元件来感测。导体可以至少在测量电流的导体部分中是直导体(即，在该部分中没有弯曲、弯折等)和/或可以是棒形导体，但是不限于此。XMR传感器元件的第一子集可以安装在导体的第一侧上，并且XMR传感器元件的第二子集可以安装在与第一侧相对的第二侧上。在这方面，子集指的是多个XMR传感器元件中的一个或更多个，但不是全部。多个XMR传感器元件或XMR传感器元件和电阻元件的组合可以以桥接配置来耦接，例如以惠斯通(Wheatstone)桥接配置耦接。在一些实施例中，这可以帮助消除来自杂散磁场的影响。

本文公开的实施例可以用于测量各种应用中的电流，包括机动车辆应用、从电网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风车、再生制动系统、水电发电机或风力发电机、或能够提供电力的任何其它形式的装置提供的电流的测量。例如，可以在电流感测是重要因素的机动车辆应用(如电动汽车的充电器)中或者在电池管理系统中(例如在包含电池和/或电动机的车辆中)执行电流测量，以便使用工作电流电平，包括下降到车辆的泄漏电流的方式。本文所公开的技术的另外应用可以包括功率转换器如交流(AC)到直流(DC)转换器、DC到DC转换器或DC到AC转换器，其中可以使用电流测量来控制功率转换器。所测量的电流可能高达几百安培甚至几千安培，但也可能是更大或更小的电流。

现在转到附图，图1是示出根据一个实施例的装置的图，其中可以采用如本文所描述的电流感测技术。图1的装置包括第一装置部分10和第二装置部分11。在一些实施例中，第一装置部分10可以包括电源(例如电池、发电机等)和用于选择性地接通或关断电力的功率开关。第二装置部分11可以包括负载如电动机。将电力从第一装置部分10经由电导体12(例如棒形导体)提供给第二装置部分11。设置如稍后在本文中更详细地讨论的电流测量装置13以测量流过导体12的电流。图1所示的电流传感器装置13在导体12上的放置仅是一个示例，并且电流传感器装置13可以放置在导体12上的任何地方以测量流过导体12的电流。

图2A和图2B是示出导体20以及单个XMR传感器元件22以说明通过XMR传感器元件测量电流的示意图。图2A示出了导体20的顶视图，而图2B示出了截面图。为便于参考，示出了坐标系。以这种方式，图2A示出了xy平面的视图，而图2B示出了沿着xz平面的截面。

在图2A和图2B的示例中，如箭头23所示的电流I沿y方向流动。导体20是棒形导体，其中在x方向上的延伸大于在z方向上的延伸。在x方向上的延伸也将被称为导体20的宽度，并且在z方向上的延伸也被称为导体20的厚度。例如，导体20的宽度可以是大约14mm，而厚度可以是大约1mm，然而这些值仅用作示例，并且可以例如根据特定应用中预期的电流大小来选择。在y方向上的延伸也被称为长度，并且可以根据电流必须由导体20传导多远来选择。在这方面，通常，对于较高的电流，需要较高的导体横截面积(宽度乘以厚度)以减少损耗并防止发热。

XMR传感器22安装在导体20的一侧附近，如图2B的截面图最佳所示的，并且电耦接至载体21例如印刷电路板(PCB)或直接敷铜板(DCB，direct copper bonding)。XMR传感器22可以以任何常规的方式实现为例如GMR传感器、AMR传感器或TMR传感器。特别地，这样的传感器可以包括具有磁性层的层结构以提供响应于磁场的电阻。

流过导体20的电流I在导体20周围产生磁场，该磁场具有例如x方向上的分量。通过相应地定向XMR传感器22，可以测量该场分量。在除了由电流23产生的磁场之外没有杂散磁场的情况下，对于XMR传感器22与导体20之间的固定几何关系，所测量的磁场与电流之间存在直接的关系。

图3示出了说明导体30的xz平面上的磁场分布的模拟结果的图，所示示例中的导体30是与图2A至图2B的导体20类似的棒形导体，并且该导体的取向与导体20相同。换句话说，在图3中示出了沿导体截面的磁场分布。图3尤其示出了x方向(即平行于导体的侧面)上的磁通密度。图4中的曲线40示出了针对具有800A电流的且宽度为14mm和厚度为1mm的导体、沿着图3中的与导体相距大约1mm距离的线A-A'的磁通密度(模拟结果)。在图3和图4所示的模拟中，导体30之上和之下(沿z方向)的磁场具有相反的符号，并且对于800A，磁场具有大约33mT的通量大小。对于较低的电流，该通量密度例如对于200A电流下降到大约8mT或者对于大约10A电流下降到0.4mT。

在一些实施例中，使用在导体的不同侧上具有相反符号的磁场的这种场分布来为电流传感器提供对杂散磁场的降低的敏感性。

图5示出了根据一个实施例的装置的(在采用图2A和图2B的坐标系的情况下沿xz平面的)截面图以测量在正y方向或负y方向上的电流。

在一个实现方式中，图5的装置包括第一XMR传感器元件55、第二XMR传感器元件56、第三XMR传感器元件57和第四XMR传感器元件58。第一XMR传感器元件55和第二XMR传感器元件56被设置在导体50的第一侧处(即，第一侧上或第一侧上方)，并且第三XMR传感器元件57和第四XMR传感器元件58被设置在导体50的第二侧处(即，第二侧上或第二侧上方)，如图5所示，第一侧与第二侧相对。第一XMR传感器元件55和第二XMR传感器元件56可以设置在第一壳体51中，并且第三XMR传感器元件57和第四XMR传感器元件58可以设置在第二壳体52中。在其它实施例中，例如，传感器元件55至58中的每一个可以设置在其自己的单独壳体中。第一XMR传感器元件55至第四XMR传感器元件58被布置和定向为对x方向上的磁场敏感。

第一传感器元件55至第四传感器元件58经由支撑件53(例如印刷电路板)电耦接至插头54，插头54能够经由引脚59电连接至另外的装置。尽管图5中示出了引脚59，但是可以设置任何其它类型的电连接，例如插座而不是插头。此外，如图6中的电路图所示，经由电连接(例如在支撑件53上或插头54中)，XMR传感器元件55至58以桥接配置(惠斯通电桥)彼此耦接。在操作中，提供电源电压VS和地电位Gnd，并且产生差分测量信号Vp、Vn。

利用图5的配置，在第一XMR传感器元件55和第二XMR传感器元件56安装在导体50的第一侧处并且第三XMR传感器元件57和第四XMR传感器元件58安装在导体50的第二侧处的情形下，XMR传感器元件55、56与XMR传感器元件57、58经受本质上相反方向的磁场。利用图6所示的耦接，极性使得在两侧上感测的磁场彼此相加以产生测量信号。另一方面，在杂散磁场的情况下，只要杂散磁场的变化发生在大于第一XMR传感器元件55至第四XMR传感器元件58之间的距离的量级上，则第一XMR传感器元件至第四XMR传感器元件至少大致经历相同方向上的磁场(这对于许多杂散场情形是典型的)。在这种情况下，通过图6中的配置，测量的杂散磁场的磁场分量相互抵消，使得杂散磁场对电流测量的影响至少显著地降低。

在另一实现方式中，在图5和图6中，元件55至58中的仅两个元件是XMR传感器元件，例如元件55和57，并且因此取决于流过导体50的电流而呈现出电阻。在这种实现方式中，元件55至58中的其它两个元件例如元件56和58可以是对流过导体50的电流和由此产生的磁场本质上不敏感的电阻元件例如参考电阻器。该实现方式的操作与上述具有四个XMR传感器元件55至58的实现方式本质上相同。

举例来说，图10示出了作为磁场H的函数的基于涡旋的GMR电阻器的示例性传递曲线。基于涡旋的GMR电阻器具有涡旋状磁性，并且是能够用于一些实施例中的具有低磁滞的一种常规XMR传感器元件。然而，在实施例中也可以使用XMR传感器元件的其它实现方式。例如在图5和图6的示例的情况下，利用相应XMR传感器元件的电阻对由流过导体的电流产生的磁场具有明确的依赖性的那些传递曲线，精确的电流测量是可能的。

在下文中，将讨论根据实施例的用于制造装置(例如图5的装置)的方法。图7是示出根据一些实施例的用于制造装置的一般方法的流程图。

尽管图7的方法被描绘为一系列动作或事件，但是描述这些动作或事件的顺序不应被解释为限制性的。而且，所描述的动作或事件可以被分割成几个单独的动作或事件。

在70处，该方法包括设置电导体。电导体可以例如包括棒形导体。

在71处，该方法包括在电导体的相对侧上设置XMR传感器元件。XMR传感器元件在一些实施例中可以被设置为形成图6所示的桥接配置，例如具有四个XMR传感器元件的桥接配置或具有两个XMR传感器元件和两个电阻元件的桥接配置。

接下来，参考图8A至图8C以及图9A至图9C，将讨论制造方法的另一实施例，其是制造图5所示的装置的一种可能。也可以采用其它制造技术。图8A至图8C示出了图5的装置在制造过程的各个阶段中的截面图。图9A至图9C示出了相应的顶视图。

在图8A和图9A中，具有第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件的第一壳体51、具有第三磁阻传感器元件和第四磁阻传感器元件的第二壳体52以及插头54被设置在载体53上，在这种情况下载体53是柔性印刷电路板(PCB)。如图9A的平面图最佳所示的，印刷电路板提供了壳体51、52与插头54之间的连接，以将壳体51、52中的磁阻传感器元件以图6所示的桥接配置耦接。

在图8B和图9B中，电导体50设置在第二壳体52的顶部上。随后，如图8B中的箭头80所示，载体53被折叠，以达到图8C和图9C所示的配置，其中第一壳体51和第二壳体52以及因此包括在其中的传感器元件被设置在电导体50的相对侧上。

应该注意的是，图8A至图8C以及图9A至图9C仅示出了一个示例，并且图8C和图9C所示的装置也可以以其它方式来制造。作为简单的示例，电导体50可以在折叠载体53之前被放置在第一壳体51上而不是第二壳体52上，和/或例如使用粘合剂被固定至第一壳体51和/或第二壳体52。

接下来，将参考图11至图20讨论图5的装置的各种替换、变型和修改。为了避免重复，参考图5已经描述的元件——特别是包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件的第一壳体51、包括第三磁阻传感器元件和第四磁阻传感器元件的第二壳体52和插头55以及导体50——将不再详细描述。参考图5描述的这些元件变型和修改也可以应用于图11至图20的实施例。除非另有说明，否则图11至图20示出了xz平面上的截面图，其中电导体50具有矩形截面并且电流垂直于所示的平面流动。

在图11的装置中，第一壳体51和第二壳体52以及插头54安装在大致U形的托架111中，并且通过电连接110(例如电线)连接成以期望配置(例如图6的桥接配置)连接。

包括元件51、52、54和110的托架111例如可以以模制工艺来制造。

为了完成该装置，导体50然后被插入到托架111中，并且用螺钉112固定。托架111和螺钉112两者都可以由塑料材料制成，但不限于此，并且在其它实施例中，也可以由金属材料制成。

在一些实现方式中，用于冷却电导体50和/或第一壳体51和第二壳体52的冷却机构可以被包括在托架111中，或者除了托架111之外，可以设置冷却机构。例如，具有用于冷却流体如水或油的通道的冷却系统可以设置在托架111中，在操作中，冷却流体然后通过该冷却系统循环，例如由外部泵驱动。另外地或可替选地，可以在托架111的外部设置散热器，其与托架111热耦合，并且经由托架111与待冷却的部件如电导体50热耦合。这样的散热器可以例如包括金属块。

图12示出了图11的实施例的变型，其中代替螺钉112，设置了夹子或带扣120以在电导体50已经插入到托架111中之后将托架111保持在电导体50上。在其它方面，图12的装置对应于图11的装置。

图13是图11的实施例的另一变型。在图13的实施例中，为了将电导体50保持在托架111内，设置了突起130，其可以具有如图13所示的圆形形状或者也可以具有对应于倒钩的形状。通过托架111的弹性，电导体50可以通过将托架111的腿部彼此移开而插入到托架111中，并且在插入之后腿部返回到图13所示的位置，突起130将导体50保持在适当位置。

图14是图13的实施例的另一变型。在图14的实施例中，代替电连接110，第一壳体51和第二壳体52以及电导体50被安装至提供连接的柔性印刷电路板140(类似于图9A至图9C中所示的)。然后印刷电路板140与壳体51、52以及插头54一起例如通过模制被合并在托架111中。应该注意的是，对于图11和图12的实施例，也可以通过印刷电路板140对电连接110进行相同的替换。

图15示出了另一实施例。在图15的实施例中，电导体50通过嵌入板150来设置，嵌入板150在其顶侧和底侧处均具有导体151。布置有XMR传感器元件的第一壳体51和第二壳体52电耦接至导体151。然后，例如导体151以如图6所示的电桥电路的形式来提供连接。然后，如插头54的插头(图15中未明确示出)提供到另外的装置的电连接。

图16示出了另一实施例。在图16的实施例中，设置了安装有第一壳体和第一插头54A的第一印刷电路板或DCB板(直接敷铜板)以及安装有第二壳体52和第二插头54B的第二PCB或DCB 161。第一板160被放置在电导体50的第一侧上，并且第二板161被放置在电导体50的相对的第二侧上。然后，第一板160和第二板161经由螺钉163耦接在一起，螺钉163可以是塑料螺钉。也可以使用如图12所示的夹子或带扣来代替螺钉。经由插头54A、54B，然后设置了到第一壳体51和第二壳体52中的XMR传感器元件的电连接。然后在与第一插头54A和第二插头54B耦接的另一装置中执行如图6所示的到全桥电路的耦接。

图17示出了另一实施例。这里，类似于图14的实施例，第一壳体51和第二壳体52以及插头54被安装至柔性印刷电路板140，其然后如图所示绕电导体50“缠绕”。然后所得到的布置由第三壳体117包覆成型(overmold)，从而将第一壳体51和第二壳体52相对于电导体50固定。

图18示出了另一实施例。同样，第一壳体51和第二壳体52以及插头54被安装至柔性印刷电路板140，柔性印刷电路板140提供连接并且如图所示绕电导体50“缠绕”。然后设置夹具180，其如图所示包围第一壳体51和第二壳体52并且例如基于夹具180的弹性将印刷电路板140夹紧到电导体50。图18的夹具180的确切形式仅是一个示例，并且只要印刷电路板140被保持在适当位置，则变型是可能的。

图19A和图19B示出了另一实施例。图19A示出了该实施例的截面图，而图19B示出了平面图。在图19A和图19B的实施例中，使用了切口的柔性印刷电路板190。印刷电路板在xy平面上具有切口(slit)，使得如图19A的截面图所示，承载第一壳体51的印刷电路板的第一部分设置在电导体50的第一侧上，而承载第二壳体52的第二部分设置在电导体50的第二侧上。由于柔性印刷电路板190的弹性，即通过塑料的内部应力，可以将切口的柔性印刷电路板190保持到电导体50，或者可以使用粘合剂固定至印刷电路板50。柔性印刷电路板190中或上的导体191用于将第一壳体51和第二壳体52中的XMR传感器元件电连接。

尽管图19B的平面图中的印刷电路板190被示出为具有三个切口，使得印刷电路板190的两个条带(stripe)被设置在电导体50的每一侧上，但这不应被解释为限制性的，而是也可以使用不同数量的条带和切口。

图20示出了装置的另一实施例。在图20的装置中，第一壳体51和第二壳体52以及插头54被安装至柔性印刷电路板140，并且绕电导体50缠绕。柔性印刷电路板140然后通过粘合剂如胶水或胶带固定至电导体50。在这方面，图20的实施例类似于图5的实施例，区别在于：在图20中，柔性印刷电路板140插入在壳体51、52与电导体50之间。在一些实施例中，这可以改善电流隔离。

应该注意的是，虽然已经使用具有四个磁阻传感器元件的配置作为示例描述了图8A至图20，但是图8A至图20也适用于使用两个磁阻传感器元件和两个电阻元件的实现方式。

根据以下示例提供了一些非限制性的实施例：

示例1.一种用于电流感测的装置，包括：

电导体，以及

多个磁阻传感器元件，其中，所述多个磁阻传感器元件的第一子集被设置在所述电导体的第一侧上，并且所述多个磁阻传感器元件的第二子集被设置在所述电导体的与所述第一侧相对的第二侧上。

示例2.根据示例1所述的装置，其中，所述第一子集包括第一磁阻传感器元件，以及其中，所述第二子集包括第二磁阻传感器元件，其中，所述装置还包括设置在所述电导体的第一侧上的第一电阻元件和设置在所述电导体的第二侧上的第二电阻元件，其中，所述第一电阻元件和所述第二电阻元件对磁场本质上不敏感。

示例3.根据示例2所述的装置，其中，所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件以及所述第一电阻元件和所述第二电阻元件以桥接配置来电耦接。

示例4.示例1所述的装置，其中，所述第一子集包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件，以及其中，所述第二子集包括第三磁阻传感器元件和第四磁阻传感器元件。

示例5.示例4所述的装置，其中，所述第一磁阻传感器元件至所述第四磁阻传感器元件以桥接配置来电耦接。

示例6.根据示例1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一子集被设置在第一壳体中，并且所述第二子集被设置在第二壳体中。

示例7.根据示例1至6中任一项所述的装置，其中，所述多个磁阻传感器元件被设置在柔性印刷电路板上，其中，所述柔性印刷电路板至少部分地包围所述电导体。

示例8.根据示例7所述的装置，其中，所述柔性印刷电路板位于所述电导体与所述多个磁阻传感器元件之间。

示例9.根据示例7所述的装置，其中，所述柔性印刷电路板插入在所述多个磁阻传感器元件与所述电导体之间。

示例10.根据示例1至6中任一项所述的装置，其中，所述第一子集被设置在第一板上，其中，所述第二子集被设置在第二板上，其中，所述电导体被插入在所述第一板与所述第二板之间。

示例11.根据示例10所述的装置，其中，所述第一板和所述第二板经由固定元件来耦接。

示例12.根据示例1至10中任一项所述的装置，还包括：托架，其中，所述多个磁阻传感器元件被设置在所述托架中，其中，所述电导体被插入到所述托架中。

示例13.根据示例12所述的装置，还包括：保持元件，所述保持元件被配置成将所述电导体保持在所述托架中。

示例14.根据示例1至13中任一项所述的装置，还包括：模制件，所述模制件包围所述多个磁阻传感器元件和所述电导体。

示例15.根据示例1至14中任一项所述的装置，其中，所述电导体是棒形导体。

示例16.一种用于电流感测的方法，包括：

设置电导体，以及

设置多个磁阻传感器元件，所述多个磁阻传感器元件位于所述电导体的相对侧上。

示例17.根据示例16所述的方法，其中，所述设置多个磁阻传感器元件包括：在柔性印刷电路板上设置所述多个磁阻传感器元件；以及绕所述电导体折叠所述柔性印刷电路板，使得所述多个磁阻传感器元件的第一子集和第二子集分别位于所述电导体的相对侧上。

示例18.根据示例17所述的方法，还包括：将所述柔性印刷电路板固定至所述电导体。

示例19.根据示例16至18中任一项所述的方法，还包括：将所述多个磁阻传感器元件以桥接配置来耦接。

示例20.根据示例16至19中任一项所述的方法，其中，所述设置多个磁阻传感器元件包括：设置包括所述多个磁阻传感器元件的托架；以及将所述电导体插入到所述托架中。

示例21.一种用于电流感测的装置，包括：

电导体，

包括第一磁阻传感器元件和第一电阻元件的第一壳体，其中，所述第一壳体被设置在所述电导体的第一侧上，

包括第二磁阻传感器元件和第二电阻元件的第二壳体，所述第二壳体被设置在所述电导体的与所述第一侧相对的第二侧上，以及

电连接件，所述电连接件以桥接配置来连接所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件以及所述第一电阻元件和所述第二电阻元件。

示例22.根据示例21所述的装置，其中，所述第一电阻元件和所述第二电阻元件是对磁场本质上不敏感的磁阻元件或电阻元件中的一个。

从以上装置、示例和实施例可以看出，针对在电导体的相对侧上设置XMR传感器元件的多个变型和实现方式是可能的。因此，上述实施例不应被解释为限制性的。