电流感测电阻器的制作方法

本发明涉及根据四线(four-wire)技术来测量电流的电流感测电阻器(current-sensing resistor)。

背景技术：

1、从专利文献ep 0 605 800 a1已知的是，根据四线技术借助于低电阻电流感测电阻器(“shunt(分流器)”)来测量电流。待测量的电流流过低电阻电流感测电阻器，籍此，测量出该低电阻电流感测电阻器两端的电压降。于是，所测量出来的该低电阻电流感测电阻器两端的电压降是按照欧姆定律对于流过该低电阻电流感测电阻器的电流的度量。

2、此外，从国际申请wo 2012/019784 a1已知了一种进一步开发后的低电阻电流感测电阻器，其中，低电阻电流感测电阻器的电压测量触点被切口围绕，这些切口也被称为电流阴影(current shadows)并且能够防止电流流经相应的切口。这些切口对低电阻电流感测电阻器中的电场分布具有积极影响。根据现有技术的这种已知的电流感测电阻器的缺点是：不能容易地检测出测量误差。

3、关于本发明的技术背景，还应当参照专利文献de 10 2020 111 634b3、de 102013 005 939 a1、us2017/0089955 a1和ep 3 671 225 a1。

技术实现思路

1、因此，本发明以想要创建一种经过适当改良的低电阻电流感测电阻器的任务为基础。

2、上述任务是由根据本发明的按照独立权利要求所记载的电流感测电阻器解决的。

3、本发明包括如下的概括性技术教导：在低电阻电流感测电阻器上设置用于电压测量的三点抽头(three-point tap)，该三点抽头允许实现在电阻器元件上延展的闭合环路上所要执行的三个电压测量。因此，该三点抽头提供了三个测量通道，这三个测量通道提供了三个电压测量值。对于无误差测量而言，根据基尔霍夫第二定律，该闭合环路中的所有电压的总和必须为零。然而，在有测量误差的情形中，会出现相对于零的偏差，这就使得能够实现误差检测。

4、首先，如同开头所说明的已知的电流感测电阻器，根据本发明的电流感测电阻器具有第一连接部，该第一连接部由导电性导体材料(例如，铜)构成，并且优选地用于将待测量的电流引入到电流感测电阻器中。

5、此外，如同开头所说明的已知的电流感测电阻器，根据本发明的电流感测电阻器具有第二连接部，该第二连接部也由导电性导体材料(例如，铜)构成，并且优选地用于将待测量的电流再从电流感测电阻器中引出。

6、此外，根据本发明的电流感测电阻器还具有由电阻器材料(例如，)制成的电阻器元件，该电阻器元件在主电流流动方向上被布置于第一连接部和第二连接部之间，以使得待测量的电流流过该电阻器元件。

7、此外，根据本发明的电流感测电阻器还包括第一连接部处的第一电压测量触点和第二连接部处的第二电压测量触点，以用于电压测量。

8、第二电压测量触点被切口围绕，该切口也被称为电流阴影并且能够防止电流流经该切口。与根据国际申请wo 2012/019784 a1的已知的电流感测电阻器相比，在根据本发明的电流感测电阻器中，优选地仅在上述两个连接部之中的一个连接部中设置切口(电流阴影)，而另一个连接部不包含这样的切口。

9、根据本发明的电流感测电阻器的特征在于，在第二连接部上额外地还布置有第三电压测量触点，以用于测量第二连接部处的电压。第二连接部上的第三电压测量触点被布置为关于主电流流动方向相对于第二连接部上的第二电压测量触点横向地偏移。于是，三个电压测量触点能够实现上述三点抽头，并且形成了用于电压测量的闭合环路，这就使得允许实现上述诊断功能。于是，利用四个电压测量触点，就能够形成两个这样的环路，每个环路都包括三个电压测量触点，据此，一个环路电路上的电压总和必须为零。

10、在本发明的优选实施方案中，第一连接部上的第一电压测量触点和第二连接部上的第二电压测量触点一起形成用于电压测量的第一测量通道，此时，在第一测量通道上输出了第一电压测量值(u12)。优选地，第一测量通道处的第一电压测量是平行于电流感测电阻器中的主电流流动方向而被执行的。此外，在该实施方案中还规定了，第一连接部上的第一电压测量触点和第二连接部上的第三电压测量触点一起形成第二测量通道，以用于测量出电阻器元件两端的且相对于主电流流动方向倾斜的第二电压降(u13)。此外，优选地，第二连接部上的第二电压测量触点和第二连接部上的第三电压测量触点一起形成第三测量通道，以用于测量出横向于主电流流动方向的、特别地垂直于主电流流动方向的第三电压降(u23)。因此，三个测量通道提供了三个测量电压值(u12、u13、u23)，在考虑了正负符号的无误差测量的情况下，这三个测量电压值加起来为零。另一方面，在存在有相对于零的偏差的情况下，就存在测量误差。

11、另一方面，在本发明的另一实施方案中，第二连接部上的第二电压测量触点和第二连接部上的第三电压测量触点一起形成第一测量通道，其用于测量出横向于主电流流动方向的、特别地垂直于主电流流动方向的第一电压降(u23)。在该实施方案中，优选地，第一连接部上的第一电压测量触点和第二连接部上的第三电压测量触点一起形成第二测量通道，以用于测量出电阻器元件两端的且相对于主电流流动方向倾斜的第二电压降(u13)。另外，优选地，第一连接部上的第一电压测量触点和第二连接部上的第二电压测量触点一起形成第三测量通道，以用于测量出电阻器元件两端的且优选地平行于主电流流动方向的第三电压降(u12)。在该实施方案中，同样也能够实现三点抽头，并且允许实现上述诊断功能。

12、此外，在本发明的保护范围内，可以在第二连接部上设置有第四电压测量触点，该第四电压测量触点与第三电压测量触点导电地相互连接，以用于共同测量出第三电压测量触点处及第四电压测量触点处的电压。因此，第三电压测量触点和第四电压测量触点提供了一个公共电压抽头。

13、另外，可以在第一连接部上布置有第五电压测量触点，该第五电压测量触点与第一电压测量触点导电地相互连接，以用于共同测量出第一电压测量触点处及第五电压测量触点处的电压。因此，第一电压测量触点和第五电压测量触点形成了一个公共电压抽头。

14、此外，应当提到的是，第一连接部中的第一电压测量触点优选地相对于电流感测电阻器的两个侧边以居中的方式布置在第一连接部中，特别地，偏心率小于电流感测电阻器的宽度的50％、40％、30％、20％、10％或者甚至5％。

15、这优选地同样也适用于第二连接部中的第二电压测量触点及围绕该第二电压测量触点的切口，第二电压测量触点及围绕该第二电压测量触点的切口也优选地相对于电流感测电阻器的两个侧边以居中的方式布置在第二连接部中，特别地，偏心率小于电流感测电阻器的宽度的50％、40％、30％、20％、10％或5％。

16、另一方面，第二连接部中的第三电压测量触点优选地以偏离中心的方式布置在第二连接部中，以使得三点抽头在电阻器元件上形成三角形环路。

17、此外，应当提到的是，第一连接部处的第一电压测量触点及第二连接部处的第二电压测量触点与电流感测电阻器的两个侧边相距的距离优选地可以基本相同，以使得电阻器元件两端的第一电压降是平行于电流感测电阻器中的主电流流动方向而被测量的。

18、此外，应当提到的是，在第二连接部中，第三电压测量触点和可选的第四电压测量触点与电流感测电阻器的中心轴相距的距离优选地可以基本相同。

19、此外，应当提到的是，在第二连接部中，第二电压测量触点优选地被布置在第三电压测量触点和第四电压测量触点(如果有的话)之间。

20、第二连接部中的前述切口(电流阴影)优选地是弧形的，特别地是v形或u形。该弧形切口的基部优选地横向于电流感测电阻器中的主电流流动方向而陈列着，并且该弧形切口的腿部优选地基本平行于主电流流动方向而陈列着且与电阻器元件面对。

21、关于切口的腿部的长度，在本发明的保护范围内存在有各种不同的可能性，下面简要进行说明。

22、在本发明的一个变形例中，切口的腿部在主电流流动方向上延伸到电阻器元件中并终止于电阻器元件中。在这种情况下，两个腿部以相同的程度或不同的程度突出到电阻器元件中也都是可能的。腿部的在电阻器元件中的长度可以在0.1mm～3mm、0.2mm～2mm、0.5mm～1.5mm的范围内或可以约为1mm。

23、另一方面，在本发明的另一个变形例中，切口的腿部在主电流流动方向上在到达电阻器元件之前就终止了，即，切口的腿部没有突出到电阻器元件中。在这种情况下，腿部可以位于与电阻器元件相距一定距离的位置处，例如，该距离可以在0.1mm～3mm、0.2mm～2mm、0.5mm～1.5mm的范围内或者可以为1mm。

24、另一方面，在本发明的第三变形例中，切口的腿部恰好地延伸到电阻器元件和第二连接部之间的边界。

25、此外，应当提到的是，第二电压测量触点及围绕该第二电压测量触点的切口可以可选地以偏离中心的方式布置在第二连接部中。这意味着，第二电压测量触点及围绕该第二电压测量触点的切口与电流感测电阻器的一个侧边相距的距离小于它们与电流感测电阻器的另一相反侧边相距的距离。在这种情况下，所述切口优选地从电流感测电阻器的较近一个侧边开始，并且以弧形或l形的方式延伸到电阻器元件中或者至少延伸到第二连接部和电阻器元件之间的边界。

26、通常，应当注意的是，本发明没有局限于各连接部的特定的导体材料。例如，导体材料可以是铜、铜合金、铝或铝合金。

27、然而，应当提到的是，各连接部的导体材料一般具有比电阻器元件的电阻器材料的电阻率(specific electrical resistance)更小的电阻率。

28、同样地，关于电阻器元件的电阻器材料，本发明没有局限于特定的电阻器材料。例如，可以使用铜合金，例如铜锰合金等。铜锰合金的示例包括cumn12ni2或cumn7sn2,3。此外，也可以使用铜-锰-镍合金，例如cu84ni4mn12或cu65mn25ni10等。此外，可以可选地使用铜-铬合金，或者可以可选地使用镍合金。

29、在本发明的优选实施方案中，电阻器元件电气地且机械地连接到上述两个相邻的连接部，这例如是通过焊接连接的方式实现的，其中，电子束焊接连接方式已被证明是特别有利的。

30、电阻器元件的电阻器材料优选地具有相对较小的电阻率，该电阻率优选地小于2×10-4ω·m、2×10-5ω·m或2×10-6ω·m。另一方面，电阻器材料的电阻率优选地大于2×10-6ω·m或2×10-7ω·m。

31、另一方面，各连接部的导体材料优选地具有甚至更低的电阻率，该电阻率优选小于10-6ω·m或10-7ω·m。

32、上面已经提到，本优选实施方案中的电流感测电阻器具有低电阻。例如，电阻值可以至多为1μω、10μω、20μω、33μω、50μω、100μω、500μω、10mω、5mω、2mω或1mω。

33、此外，应当提到的是，根据本发明的电流感测电阻器可以具有在连续负载下允许至少1a、10a、100a、1ka或者甚至5ka的载流能力(current carrying capacity)。

34、关于电流感测电阻器的构造设计，应当提到的是，电阻器元件和各连接部优选地各自都是板形的，其中，这些板形部件可以可选地是平的或弯曲的。

35、电流感测电阻器的在主电流流动方向上的长度优选地小于30cm、20cm、10cm、5cm、2cm或1cm，而电流感测电阻器的宽度优选地小于20cm、10cm、5cm、2cm或1cm。另一方面，电流感测电阻器的厚度优选地小于10mm、5mm、4mm、2mm或1mm。

36、此外，应当提到的是，正如从专利文献ep 0 605 800 a1已知的是，两个连接部各自可以包括用于将电流引入到电流感测电阻器中或从电流感测电阻器中排出的电流接头，其中，这些电流接头例如可以包括能够接纳螺钉的孔。

37、电压测量触点各自可以被形成为接触焊盘(contact pad)，这些接触焊盘由相应的连接部上的导电性涂层构成。例如，这些接触焊盘可以是为基本矩形的，其中，这些接触焊盘的涂层材料可以由与下方的连接部不同的导体材料构成。

38、此外，应当提到的是，可以在电阻器元件的一侧或两侧中制作有修整切口(trimcut)，以用于调整电流感测电阻器的电阻值和/或电流感测电阻器的电阻值的温度系数。

39、在本发明的优选实施方案中，电流感测电阻器具有用于恰好三个电压测量通道的电压测量触点，以使得能够实现前面所提到的三点抽头。三点抽头使得能够实现沿着电阻器元件上的闭合环路的电压测量，这就允许实现诊断功能。

40、以上已经把根据本发明的电流感测电阻器作为单个部件进行了说明。然而，本发明还要求保护包括这种电流感测电阻器的电流测量装置以及用于单独地测量电流感测电阻器的各个测量通道处的电压的电压测量装置。

41、此外，电流测量装置还可以具有评估单元，以用于从各个电压测量值确定流过电流感测电阻器的电流。这里，评估单元还能够实现诊断功能。为此目的，电压测量装置可以测量三点抽头的三个测量通道处的电压，然后计算出在沿着闭合环路的循环测量的期间内出现的电压偏差。如果该偏差超过最大容许值，则评估单元可以生成误差信号。

42、本发明的其他有益实施方案记述于从属权利要求中，下面将会参照附图与本发明的优选实施方案的说明一起给出更详细的解释。