专利高性能 AC/DC 电流互感器集成功率测量解决方案
TECHNOLOGY PAPER
Uros Platise, Marcel Achim, Eva Kalšek
摘要
DEWEsoft Siruis XHS-PWR 提供最先进的集成电流和电压传感解决方案，以解决汽车测试和测量市场。无缝集成 DewesoftX 软件，XCP，或 OPC/UA 在 PoE 吉比特以太网与 PTPv2时间同步，包括高端数据采集15 MS/s@16位，1 MS/s@24位，和较低的混叠无采样率。
Siruis XHS-PWR 也是第一个具有1000a 校准范围与2000a 峰值电流感应到2000v 最先进的隔离电流感应技术与核心直径只有5厘米的产品。在本技术说明中，我们提供了更多关于这种新的 DC CT 技术用于 SIRIUSi XHS-PWR 和未来 Dewesoft 产品的信息，其特点是:
▶ 超过500千赫的宽带宽,
▶ 在200kHz内，平坦度 < 0.2分贝,
▶ 精确度到0.01% ,
▶ 低噪音，
▶ 比市场上的比较技术更低的功率操作
引言
汽车电气化和自动驾驶汽车是当今和未来汽车领域推动创新的主要趋势。这意味着实现车载电能的智能化管理和智能化配置。许多 OEM 和 Tier1供应商正在推动固态电池等系列可生产的高能量单体电池的开发。
汽车的研制和运行都需要对汽车的能耗进行精确的测量和预测。高效、低电磁兼容的电子元件如电动马达、变频器、充电器、电源管理和安森美等的开发正在全面展开。而且界限还没有到达。
在车外，智能车对电网的能源管理，快速和高能量通过线路流动，或无线供电解决方案尚未成为最终用户的商品。支持这些大趋势的技术不仅仅是蓝图。最近电动汽车的发展表明，需要精确度为0.1% 至0.01% 的电流传感器来进行精确功率测量，短期峰值电流可达2000 A。
为了满足这一市场需求，DEWEsoft开发了 SIRIUSi XHS-PWR 高电流高电压测量装置，以支持今天和未来您将拥有的车辆测试。
随着时间的推移，电流传感技术的不同测量方法得到了发展。
目前的分流
分流器看起来是一种简单的解决方案，但它具有很高的功耗，它是非隔离和频带有限的，由于相对微欧姆相对较高的自感。
隔离方法. 带磁芯的开环和闭环
隔离的方法包括(差分)开环无芯，开环和闭环与一个或多个磁芯。开环方法的精确度在百分之几的范围内，相对来说会受外部磁场的影响，而且带宽有限。闭环方法包括一个磁芯与零点法操作，和磁通传感器。
霍尔和磁通门传感器
最知名的是霍尔，磁电阻，磁通门传感器。在一个简单的设计中，所有的磁通门都插入到单核中，而后来的磁通门则存在于更复杂的版本中，如双核和三核。闭环方法最小化了磁性材料和温度依赖性的非线性影响，多磁芯磁通门方法进一步消除了造成了磁芯直流偏置的磁滞现象。
解决方案通常提供高带宽的直接交流路径，通常受到所使用的磁性材料的限制。其中，单芯通常不能达到0.5% 以上的整体精度，由于引入芯部的间隙，灵敏度、偏移精度和对外部磁场的免疫力都降低了。
另一方面，多核磁通门解决方案不引入任何间隙的核心，因此是已知的最新最精确的传感器，但结构更复杂，总的来说，他们更大，更重，昂贵，并在更高的待机功率运行。
开发新的电流传感技术的动机是利用单芯闭环传感器所知的无间隙磁芯和单芯结构的最佳性能，以减小体积和重量、降低成本和降低备用功率，以满足目前和未来的市场需求。
因此，本研究即将开发一种新型的直流/交流磁通传感器，该传感器嵌入到磁芯中，不改变高磁导率磁性材料的优异性能。这种新型传感器被命名为 Platise Flux Sensor，以发明者的名字命名，在下面的章节中对其进行了描述，并与 SIRIUSi XHS-PWR 产品的性能进行了比较。有了这种传感器，紧凑的大电流传感器填补了1% 以下和0.01% 的缺失准确度差距，满足了众多的工业，测试和测量的应用场景。
解决方案概述
SIRIUSi XHS-PWR 是一个高度集成的设备，提供高端数据采集和混合技术，最大采样速率为15 MS/s，16位，1ms/s，24位，带有实时采样滤波器，在较低采样速率下提供无混叠信号。
模型包括“ 单相“ 和“两相”配置。差分高压传感范围可达2000v，5 MHz@- 3 dB 的平坦带宽。电流传感范围包括从250a 到1000a 的配置，以及2000a 峰值电流测量。
屏蔽直流电流互感器的外径只有50毫米，提供了大约64 μ a/v@100千赫的优良共模抑制比。变压器本身定义了传感器最重要的精度特性，如迟滞和最大偏移，典型值在 +/-50毫安以内，典型线性度为50毫微米。
传感器的次级电流通过一个可编程增益放大器在一个低欧姆精密负载电阻器上检测，驱动了 HybridADC 模拟数字转换器技术。总的 DC-CT 电流传感精度是由 DC-CT 核心、放大器、参考电压和 hybrid dadc 的误差总和。
以下部分阐述了创新专利 DC-CT 技术的工作原理。磁通测量采用了一种全新的工作原理，比现有的磁通传感器更接近于零漂开关运算放大器。该方法与四种广为人知的磁通门技术进行了比较。
直流电流互感器技术的核心是一个单一的高磁导率核心和零磁通闭环零磁通法测量原理与创新的 Platise 磁通传感器(PFS)零磁通传感器。PFS 的主要特点如下:
▶ 单间隙无缝高渗透核心设计,
▶ 非常高电流传感器的紧凑实现,
▶ 由于紧凑的无间隙设计，对外部磁场具有极好的免疫力,
▶ 由于主次侧之间的良好耦合，宽而平坦的带宽,
▶ 低功耗高灵敏度,
▶ 由于紧凑的实现和无间隙的设计，非常低的偏移量，
▶ 温度稳定性好，是聚合硫酸铁的一种性能
直流电流互感器可以看作是一个交流电流互感器(CT) ，其中初级和次级(也称为补偿)绕组耦合变压器的交流信号，下降到几赫兹。正如其他闭环技术一样，PFS 连续测量由于初级和次级(补偿)电流之间的差异而导致的核心剩余磁通。
PFS 的输出与磁芯中的磁通量成正比。它驱动反馈控制电路来调整补偿电流，恢复磁芯的最佳零磁通平衡。因此，补偿电流(完全)反映了按照主次匝数进行缩放的初级电流。
拼装式磁通传感器
拼装式磁通传感器设计是基于一个磁芯(b) ，通过这个磁芯测量电流的中心线，也称为一次电流 Ip (a) ，通常是一个匝。二次补偿绕组(c) Lcomp 包含更多的匝数，并且分布在磁芯的大部分周围。
磁性材料然后引入额外的开口，以形成一个简化图1所示的 Platise 磁通传感器(PFS)。PFS 由开口左侧的电流控制可变磁阻(CCVR)和 Ls 绕组(d)以及开口右侧的磁通测量绕组 Lm (E)组成。
初级电流和次级电流之间的差异在铁心中产生了一个残余磁通或非补偿磁通，并且在 LS 绕组中没有电流的存在，CCVR 部分在路径(D)和(E)之间重新进行准均匀分布。
为了简化起见，我们假设在第一步中，每个路径看到了通量的1，在第二步中，整个通量只流过(E) ，没有通过(D)。因此，通过(E)路径的巨大磁通变化 dφ/dt 很容易被 Lm 绕组捕获。整流(解调)输出大小与剩余磁通量的大小成正比，其相位与磁通量的符号成正比。
上述 LS 绕组的连续切换使 PFS 成为一个采样传感器，每个切换周期采样磁通量的大小，理论最大带宽为切换频率的一半。
典型的开关频率在200khz 以上，远远高于 DC/AC 调节环所需的带宽。解调器捕捉两种过渡，当 Ls 当前激活以及当它释放，这是相反的迹象。因此，只有当初级电流与 PFS 频率锁定在一起，使其能够刺激完全相同频率的磁通时，才可能发生谐振。
然而，补偿绕组的存在，补偿了绝大部分的流量，减少了这种影响。在实际应用中，接近谐振点会导致平坦度稍微变形，最大峰值一次电流减小。因此，PFS 将内部的直流磁通解调为恒定的输出电压，而交流磁通被正确地解调为 PFS 的半个采样频率。这些信息驱动反馈调节回路，反馈调节回路调整 Lcomp 的补偿电流以反映一次电流 Ip 引起的磁通。在理想的平衡条件下，磁通量为零，Lm 检测零振幅。
其中最有趣的部分创新是创造了电流控制可变磁阻，CCVR 元素。路径(d)的特点是另一个开放与 LS 缠绕作为一个“无限”的形式显示在图3。通过 LS 的电流在磁性材料内部形成一个闭环磁场，其方向相反，实际上影响了材料的磁导率。
非对称 CCVR 结构通过补偿绕组 Lcomp 向剩余磁芯结构泄漏少量的磁场，从而产生低于 -110db 的输出噪声(纹波) ，同时在50khz 的带宽内向100nv 以下的主结构注入少量的噪声。目前主要的注入噪声大部分来自22μVrms 左右的调节环路，这还需要进一步的改进。同样，初级绕组或补偿绕组激励的磁通对 LS 绕组的影响很小。外部磁场或主电流不能产生这样一个闭环场，这个闭环场将虚拟仿真 CCVR 并与该 CCVR 共振。
PFS 与磁通门传感器的比较
磁通门传感器的基本原理如图4所示。通过一个附加绕组和一个方波电压发生器刺激一次电流的一种磁芯。由于磁芯典型的饱和 B-H 特性，当磁导率达到最大值或最小值时，磁导率下降，此时刺激绕组的电感突然下降到最小值。当初级电流为非零时，这种信号发生移位，从而产生畸变和不对称。
磁通门传感器通常用于闭环配置，即使-即使对于有限的电流范围工作良好，即使没有补偿绕组。图5显示了带有磁通门传感器的闭环结构中运行的磁芯的最常见拓扑，根据 LEM 术语如下:
▶ 标准的版本是将磁通门作为电感插入切割磁芯，通常具有不同的磁性，在这种情况下，LSE用于磁化和饱和磁芯的有限部分，以确定零磁通平衡。这种类型的传感器成本低，最大精度约为0.5% ，噪音相当大，但功率在磁通门传感器组中最低。
这两种技术的采样通量频率都在200千赫以上。
▶ 最基本的配置包括一个二次补偿线圈扫描整个磁芯，通过整个 B-H 循环，从而重置任何磁芯剩磁，可能留在核心由于外部刺激，以及滞后所造成的自身操作。这种类型的传感器可以是直流非常准确，但交流带宽通常限制在或低于千赫，高达连
续电流扫描采样频率的一半。这样的传感器注入大量的噪音到主要的一面和消耗更多的连续(待机)功率的运作。
▶ 为了克服(II)的噪声注入，该原理使用两个核，每个核朝相反的方向扫描。然而，由于采样频率较低，交流带宽仍然受到限制。
▶ 三核的版本进步(三)与一个额外的核心提供一个直接的 AC 路径的输出。这个版本也是市场上最知名的磁通门拓扑结构，具有最低的直流偏置和较高的交流带宽。由于这种类型的多芯传感器比较重，而且价格昂贵。这个版本可能有一个额外的
绕组，以扩大频率范围的传感器。
磁通门与 PFS 操作之间的关键区别在于，磁通门传感器、核心的一部分(即拓扑 i)或整个核心(II)。.通过检测直流偏移引起的不对称失真，提取未补偿的一次电流。每个循环需要大量的能量和噪声注入到主次绕组。
在 DC-CT PFS 中，通过改变路径(d)的磁导率，相同的直流磁通量在两条路径(d)和(e)之间相当分布。由于这个(e)的磁通量大小的变化，这是很容易测量一个简单的测量绕组 Lm。PFS 的这种操作非常类似于零漂移开关运算放大器(OP AMPS) ，其中 CCVR 充当“磁晶体管”，将直流磁通转换成 CCVR 载波频率的交流信号。PFS 传感器的输出用相同的载波解调，低通滤波驱动反馈电路。
将这些拓扑与 DC-CT 技术进行比较:
▶ DC-CT 也是一种单核心技术，其中磁通门传感器被 PFS 取代。反过来，PFS 不需要切割磁芯，也不引入空气间隙，而是嵌入到现有的磁芯中，保持磁芯的最高磁导率。与磁通门换能器相比，磁导率最高的换能器可以降低磁滞和偏移，并且对
外部磁场提供尽可能高的免疫力，任何方向的直流和交流电磁场都小于80ma@5mt。此外，磁通门是方式噪音比 PFS 的工作低于 -110分贝。就功率而言，两种原理都需要类似的功率来运行传感器和补偿绕组。
▶ 代表了原磁通门的主要特点，它消除了磁芯在每个扫频周期的滞后，但是，它是非常嘈杂的，带宽有限，并需要更多的功率运行比 DC-CT。DC-CT 技术依赖于具有非常低矫顽力和磁滞抵消的非常高的磁导率材料。此外，DC-CT 还可以提供一
个消磁循环，以便将磁滞降低到毫安。
▶ 与(II)类似，这种拓扑降低了主电路的噪声，但是它需要更多的能量将电流扫过两个核的整个 B-H 循环。这种拓扑结构的大小也会增加。唯一的优势相对于直流电流互感器是略低的直流(滞后)偏移。
▶ 唯一的磁通门满足交流性能的直流电流互感器技术和具有最低可能的偏置电流的优势，如(三)的拓扑。然而，这种类型的产品更重，价格昂贵，消耗更多的电力，即3.5瓦的空闲功率相比0.5瓦的 DC-CT，高达30瓦的1000 a 相比5瓦的 DC-CT。
直流电流互感器技术通过一个补偿绕组实现非常高的带宽，而三核解决方案通常需要额外的第四个绕组来扩展交流带宽。这两种技术都是温度稳定的。PFS 模拟前端电路补偿了在信号解调时可能出现的所有偏移，剩下的唯一偏移是核心的滞后
偏移。
直流和高宽带交流操作
在闭环技术中，就像 DC-CT 和磁通门拓扑 i 一样，采用补偿绕组 Lcomp作为交流通过，这意味着，任何一次侧的变化都是自动的，由于交流变压器的性质，反映在二次侧，并按匝数缩小。
然后在负载电阻上测量交流变压器的输出电流。在 DC/AC 变压器中，有一个重要的区别: 通常补偿线Lcomp的一个连接由放大器驱动，另一个代表输出。
由于次级 Lcomp 绕组不能看到直流分量的存在，以及非常低的交流频率，需要磁通感应技术，无论是 DC-ct PFS，磁通门，霍尔等; 所有这些技术都提供必要的反馈信号驱动放大器通过 Lcomp 绕组削减直流电流，以达到核心的零磁通电平。
因此，这种传感器的交流平坦度取决于:
▶ 磁性能的核心,
▶ 绕组技术引入了寄生电容和电感，产生了不必要的谐波和畸变平坦度,
▶ 零磁通检测技术的灵敏度、线性度和带宽，以及 DC/AC 磁通传感器的调节回路。
为了获得良好的平面度和稳定的运行，要求磁芯的纯交流性能尽可能地降低。直流-电流互感器技术将这种高通滤波器截止频率降低到最低限度，因为它采用了单一的无间隙紧凑型核心结构。
该设计保持了高磁导率的特性的核心和紧凑的实施提供了一个非常高的电感值的 Lcomp 绕组。此外，PFS 的原始灵敏度大于20mv/a，再加上 Lcomp 的非常低的截止频率，保证了稳定的调节环路和宽带宽的平坦度。平直度降低和最大电流持续时间出现在 CCVR 操作点，在 SIRIUSi XHS-PWR 产品中大约220 kHz，其频率可能被推得更高。
不同电流测量技术的简要比较
下表总结了不同技术的主要特点:
| 技术 | 类型 | 隔离 | 电流范围 | 交流带宽 | 线性 | 准确性 | 温度漂移 | 耗电量 |
| DC-CT |
DC/AC |
Yes | 高 | 高 | 极好 | 甚高 | 极低 | 中等 |
| Flux-Gate |
DC/AC |
Yes |
高 |
高 | 极好 | 极好 | 低 | 高 |
| Hall |
DC/AC |
Yes |
高 | 中 | 中等 | 中等 | 高 | 低/中等 |
| Shunt |
DC/AC |
No |
中等 |
中 | 好 | 高 | 中等 | 高 |
| Rogowsky | AC |
Yes |
高 | 高 | 好 | 中等 | 低 | 低 |
| CT | AC |
Yes |
高 | 中 | 中等 | 中等 | 低 | 低 |