高精度、寬頻、高穩(wěn)定電流傳感技術(shù)

1. 前言

現(xiàn)在，在以功率調(diào)節(jié)器和變頻器等功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為代表的功率電子領(lǐng)域，要求高精度、寬頻的電流測(cè)量。我們公司從1971年發(fā)售鉗形表CT-300(圖1)以來(lái)，一直根據(jù)測(cè)量用途提供各種電流傳感器(圖2)。在本文中，我們聚焦于高精度、寬頻的電流測(cè)量，針對(duì)我們公司的電流傳感器的特長(zhǎng)和電流測(cè)量的要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

圖 1: 發(fā)售于1971年的電流傳感器CT-300

圖 2: 日置的零磁通式電流傳感器

2. 關(guān)于電流傳感器的檢測(cè)方式

電流傳感器的檢測(cè)方式雖然各式各樣，但大多數(shù)都是根據(jù)被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)的電流流動(dòng)，用卷線檢測(cè)插入磁通的磁電轉(zhuǎn)換元件和磁芯。但是，各種檢測(cè)方式各有利弊，很難用一種方式來(lái)滿足所有的檢測(cè)要求。而我們公司結(jié)合兩種方式，采取零磁通式(也被稱為環(huán)閉式或磁平衡法)提供高精度、寬頻的電流傳感器。

零磁通式如圖3、圖4所示，是形成包括磁回路的負(fù)反饋電路，取消磁芯上因被測(cè)電流產(chǎn)生的磁通，向反饋線圈流動(dòng)電流的方式。因?yàn)榭梢园压ぷ鞔磐ㄒ种频阶钚〕潭?，所以具備能夠把因磁性材料產(chǎn)生的非線性影響降低到最小程度的優(yōu)點(diǎn)。

我們公司的高精度傳感器如圖3所示，是結(jié)合磁通門(mén)方式和變流器(CT)方式的零磁通方式。磁通門(mén)方式可以檢測(cè)直流，因?yàn)槭遣皇褂冒雽?dǎo)體的檢測(cè)方式，具有偏移電壓比較小，溫度穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。我們公司提供精度0.02%rdg，頻寬3.5MHz的世界頂級(jí)水準(zhǔn)的高精度和寬頻電流傳感器。而且，因?yàn)殪`活運(yùn)用了磁通門(mén)方式的高溫穩(wěn)定性，使得我們的產(chǎn)品可在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)使用。

另一方面，寬頻電流傳感器如圖4所示，采用結(jié)合霍爾元件和變流器(CT)方式的零磁通方式，提供從直流到最大120 MHz頻寬的電流傳感器。磁性檢測(cè)的核心部件霍爾元件由我們公司自己生產(chǎn)，靈敏度高且干擾低，最適合與示波器搭配使用來(lái)觀測(cè)微小電流的波形變化。

圖 3: 零磁通式(磁通門(mén)式)

圖 4: 零磁通式(霍爾元件式)

3. 電流傳感器構(gòu)造的區(qū)別

電流傳感器在構(gòu)造上分為貫通式和鉗式兩種。貫通式的磁芯沒(méi)有分割面，磁芯周圍容易得到均一的特性，因此可以構(gòu)成非常高精度的電流傳感器。但是，接線時(shí)需要把電源線從中穿過(guò)，所以必須要先切斷電源，設(shè)備在工作的狀態(tài)下無(wú)法進(jìn)行接線。

另一方面，鉗式的磁芯是分割構(gòu)造，夾住電源線就可以進(jìn)行測(cè)量，不需要像貫通式那樣切斷電源線，即使是在工作的狀態(tài)下也很容易測(cè)量。但是，因?yàn)橛蟹指蠲?，磁芯周圍很難得到均一的特性，一般來(lái)說(shuō)鉗式電流傳感器測(cè)量精度較差，受導(dǎo)體位置的影響很大。因此，很難得到重現(xiàn)性良好的測(cè)量。而我們公司運(yùn)用長(zhǎng)年研發(fā)電流傳感器的技術(shù)訣竅，提供即使是鉗式也可以做到高精度測(cè)量的傳感器，后面詳細(xì)闡述。

4. 電流傳感器的選型要點(diǎn)

電流傳感器在進(jìn)行高精度測(cè)量的時(shí)候，最重要的一點(diǎn)就是針對(duì)測(cè)量對(duì)象選擇適合的電流傳感器。

大多數(shù)的高精度電流傳感器(精度0.1%以下)采用的都是電流輸出，而我們公司的高精度電流傳感器采用的是電壓輸出。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)以電流輸出方式的優(yōu)勢(shì)比較多，而電流傳感器方面電壓的輸出方式有利處比較多。下面我們將關(guān)于電壓輸出的有利之處和電流傳感器的選型要點(diǎn)來(lái)進(jìn)行敘述，請(qǐng)大家參考。

4.1電流傳感器的額定值、測(cè)量頻寬要適當(dāng)

為了進(jìn)行高精度的電流測(cè)量，選擇適合測(cè)量對(duì)象電流范圍的額定的電流傳感器是很有必要的。比如用相同測(cè)量精度的10 A額定傳感器和500 A額定的傳感器來(lái)測(cè)量5 A的電流，10A額定的電流傳感器的測(cè)量結(jié)果無(wú)論從精度還是從測(cè)量結(jié)果的重現(xiàn)性上都比較有利。我們公司的電流傳感器是用真有效值規(guī)定額定電流，但是很多電流傳感器都用峰值規(guī)定額定電流，因此需要注意。

另外，電流傳感器的測(cè)量頻寬是否可以覆蓋測(cè)量對(duì)象全部的頻率也是需要確認(rèn)的。

4.2測(cè)量頻率對(duì)振幅和相位都有精度規(guī)定

一般來(lái)說(shuō)，和功率計(jì)搭配使用的高精度電流傳感器大多數(shù)都是只規(guī)定了直流和工頻(50 Hz/60 Hz)振幅的精度。關(guān)于相位的精度幾乎都沒(méi)有規(guī)定。一般的高精度電流傳感器所用的電流輸出，在高頻下的振幅和相位的精度是很難規(guī)定的。因此除工頻以外，大多數(shù)只公布有代表性的數(shù)據(jù)，需要注意。而我們公司因?yàn)椴捎玫氖请妷狠敵?，所有測(cè)量頻寬范圍內(nèi)振幅和相位的精度都可以規(guī)定。正確的功率測(cè)量除了振幅精度以外，相位的精度也是非常重要的，特別是在選擇用于功率測(cè)量的電流傳感器的時(shí)候，選擇規(guī)定相位精度的電流傳感器是非常重要的。

4.3　通用性強(qiáng)

因?yàn)槭请妷狠敵龅碾娏鱾鞲衅?，不僅是與功率計(jì)，與DMM、示波器、記錄儀等都能簡(jiǎn)單地搭配使用，1個(gè)電流傳感器可用于各種用途是其優(yōu)點(diǎn)。

4.4　S/N比高

我們公司的高精度電流傳感器，測(cè)量額定電流時(shí)設(shè)計(jì)為2V輸出。例如，我們公司的CT6863(200　A額定)和功率計(jì)在測(cè)量AC 200A的情況下，輸入功率計(jì)的是AC 2V。另一方面，因?yàn)殡娏鬏斎胧降墓β视?jì)的輸入部分里面內(nèi)置分流電阻，即使電流傳感器的輸出傳送的是電流，但最終還是轉(zhuǎn)換成電壓。使用變比1500:1的高精度電流傳感器測(cè)量AC 200 A的情況下，因?yàn)橥ǔ７至麟娮璧淖柚禐?.5Ω或者0.1Ω，因此用功率計(jì)測(cè)量的電壓為

133.3 mA×0.5 Ω=AC 66.65 mV

133.3 mA×0.1 Ω=AC 13.33 mV

用功率計(jì)測(cè)量的信號(hào)電平為2V和13.33 mV～66.65 mV，所以和電流輸出的電流傳感器相比S/N比更高。

4.5容易調(diào)整和校正

我們公司的電流傳感器因?yàn)槭请妷狠敵?，所以具有容易進(jìn)行調(diào)整和校正的優(yōu)點(diǎn)。因此，包括輸出線在內(nèi)也能規(guī)定精度。另外，包括輸出線在內(nèi)微小的電阻引起的電壓下降也能進(jìn)行調(diào)整。還可以定制標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度以外的輸出線。

我們公司的高精度電流傳感器不僅適用于直流和工頻，在高頻領(lǐng)域也可以校正。以下是我們公司電流傳感器校正的例子。各個(gè)頻率點(diǎn)都進(jìn)行可追溯性的校正。

振幅：±DC/50Hz/60Hz/1kHz/10kHz/100kHz/300kHz/700kHz/1MHz

相位：50Hz/60Hz/1kHz/10kHz/100kHz/300kHz/700kHz/1MHz

5. 高精度測(cè)量的注意點(diǎn)

基于長(zhǎng)年進(jìn)行電流傳感器開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，介紹一下用電流傳感器進(jìn)行高精度電流測(cè)量的注意事項(xiàng)。

5.1　把測(cè)量導(dǎo)體放到中心位置

不管哪個(gè)電流傳感器，導(dǎo)體位置的影響都是存在的。影響的量隨著測(cè)量頻率有變大的傾向。即使是特性好的貫通式電流傳感器，在10k Hz以上的高頻的情況下，影響也會(huì)變的很大。電流傳感器的廠家規(guī)定的精度一定是規(guī)定在電流傳感器的中心位置。特別是測(cè)量高頻電流的情況下，要進(jìn)行高精度和高穩(wěn)定的測(cè)量，最好考慮把測(cè)量導(dǎo)體放在電流傳感器的中心位置。

5.2　電流傳感器附近不要有鄰近導(dǎo)體

電流傳感器是檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)體電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因此即使不是測(cè)量對(duì)象，鄰近導(dǎo)體有電流流動(dòng)的時(shí)候多少也會(huì)受到影響。特別是高頻電流的時(shí)候影響就更大。因此，為了進(jìn)行高精度電流測(cè)量，盡可能讓鄰近導(dǎo)體遠(yuǎn)離電流傳感器。特別是高頻電流的影響很大，請(qǐng)將所有的電流傳感器都會(huì)受到影響考慮在內(nèi)再進(jìn)行測(cè)量。

6. 高精度電流傳感器精度的優(yōu)勢(shì)

我們公司的高精度電流傳感器在測(cè)量頻寬內(nèi)所有的頻率范圍都對(duì)精度進(jìn)行了規(guī)定。一般電流傳感器的精度是以電流傳感器的中心位置為標(biāo)準(zhǔn)。但是實(shí)際使用時(shí)把測(cè)量導(dǎo)體放在中心位置是件不容易的事情。

圖5顯示的是我們公司高精度傳感器(CT6841)的頻率特性和規(guī)格。根據(jù)頻寬規(guī)定精度，即使導(dǎo)體位置發(fā)生變化，也可以符合規(guī)定的規(guī)格。

另外，我們公司的高精度電流傳感器對(duì)于精度規(guī)格保留了充足的余量，實(shí)際上擁有比規(guī)格參數(shù)更高的實(shí)力。

圖 5: 增益-頻率特性

7. 高精度的鉗式電流傳感器

圖 6: 高精度鉗式電流傳感器 CT6843

前面講述了一般的鉗式電流傳感器，由于開(kāi)口構(gòu)造，精度和測(cè)量結(jié)果的重現(xiàn)性不是很好，在這一章節(jié)里將介紹圖6所示我們公司的高精度鉗式電流傳感器CT6843(200 A額定)的特性的一部分。 圖7～圖9是和相同量程的我們公司的貫通式電流傳感器CT6863(200 A額定)的特性比較。我們公司的鉗式電流傳感器具有與貫通式電流傳感器非常接近的特性?？沙浞掷糜诟呔鹊墓β蕼y(cè)量。

鉗式電流傳感器之所以具備這樣的性能，主要原因是除了開(kāi)口部分以外，采用了周邊均一以及將磁阻抑制到最小程度的開(kāi)口構(gòu)造。有意識(shí)的設(shè)計(jì)成和貫通式一樣的磁芯周邊均一的構(gòu)造。

另外，我們公司的鉗式電流傳感器不僅重視性能方面，也重視操作性。從開(kāi)關(guān)到鎖定的動(dòng)作可用單手輕松完成。而且在各種環(huán)境下都能使用，適用-40℃～+85℃的溫度范圍，在高溫環(huán)境下的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等嚴(yán)酷環(huán)境下使用也沒(méi)有問(wèn)題。

更加值得一提的是，我們公司提供的功率計(jì)是電流傳感器專用設(shè)計(jì)。因此，功率計(jì)能夠直接供電給電流傳感器，并能夠自動(dòng)識(shí)別電流傳感器。最適合與功率計(jì)組合進(jìn)行高精度、寬頻的功率測(cè)量。

圖 7:線性圖

圖 8: 導(dǎo)體位置的影響

圖 9: 增益-溫度特性

8. 寬頻鉗式電流傳感器

圖 10: Wideband current sensor CT6701

我們公司的寬頻電流傳感器，如前面所述與高精度的電流傳感器相比有測(cè)量頻率范圍廣，干擾低的優(yōu)點(diǎn)。其中，我們公司提供的擁有最高的電流-輸出電壓轉(zhuǎn)換率(以下稱為輸出率)和頻率范圍(圖11) 的CT6701(圖10)是最適合觀測(cè)過(guò)渡響應(yīng)電流波形和浪涌電流等高速響應(yīng)波形，或含有各種各樣頻率成分的微小電流波形的電流傳感器。

寬頻電流傳感器如前面所述，是使用薄膜霍爾元件零磁通方式的AC/DC電流傳感器。核心的霍爾元件是采用我們公司自己開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的薄膜霍爾元件。

通過(guò)采用與以往產(chǎn)品相比大幅度降低干擾的薄膜霍爾元件，實(shí)現(xiàn)了輸出率1V/A(是通常的10倍)和低干擾性。 圖12顯示的就是以往產(chǎn)品的比較。因此，對(duì)小型馬達(dá)等汽車電氣部件的控制電流mA波形，可以進(jìn)行更精細(xì)的觀測(cè)。另外， 具有120MHz(-3dB)的寬頻，與示波器等波形觀測(cè)儀器連接使用，可以觀測(cè)到含有各種頻率成分的電流波形。比如，用于觀測(cè)功率轉(zhuǎn)換和馬達(dá)控制使用的開(kāi)關(guān)回路的控制電流和負(fù)載電流，可觀測(cè)高速脈沖開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體器件的電流波形或紋波波形等。

圖 11: CT6701 幅頻特性(典型)

圖 12: 20mAp-p波形(與我們公司以往產(chǎn)品的比較)

9. 結(jié)語(yǔ)

本文聚焦于我們公司持續(xù)研發(fā)電流傳感器超過(guò)40年，介紹了零磁通方式的檢測(cè)原理，電流傳感器的選型要點(diǎn)，以及使用時(shí)的注意事項(xiàng)和特性的一部分。在要求高精度、寬頻電流測(cè)量的功率電子領(lǐng)域里，如果能在測(cè)量電流時(shí)對(duì)您有所參考幫助，對(duì)我們來(lái)說(shuō)將會(huì)感到十分榮幸。