电流传感器系统的制作方法

1.本发明总体上涉及电流传感器的领域，并且更具体地涉及磁电流传感器。


背景技术：

2.在本领域已知有不同种类的电流传感器，例如(1)使用分流电阻的电流传感器、(2)使用电流互感器的电流传感器、或者(3)使用磁传感器的电流传感器。
3.在使用分流电阻的电流传感器中，在分流电阻上测量电压，并且可以通过将所测得的电压值和电阻值相除来确定电流值。该类型的缺点在于测量电路没有与负载电隔离。电流互感器包括一次绕组和二次绕组。尽管该类型的电流传感器提供电流阻断(galvanic separation)，但是其通常很笨重。基于磁传感器的电流传感器既提供电流阻断，又可以很紧凑。
4.已知的电流传感器通常被设计成用于测量dc电流或低频电流，例如具有约为50hz或约为60hz的频率的电流。
5.存在各种电动机类型，例如：所谓的dc有刷电机、dc无刷电机、ac无刷电机、线性电机、步进电机等。在电动车辆中，通常使用以下电机类型：dc串联电机、无刷dc电机、永磁同步电机(pmsm)、三相ac感应电机、开关磁阻电机(srm)。
6.存在各种用于驱动和/或控制和/或监测电动机的电路。在这些电路中的一些电路中，需要对提供给电机的实际电流进行测量。这些电流可能具有数十安培或者甚至数百安培的量级，并且可能具有高达几khz的频率或频率分量。这些电流通常经由所谓的“汇流条”提供给电机。汇流条通常以金属带或金属条的形式出现，例如铜条。
7.已知当ac电流流过电导体时，将发生被称为“趋肤效应”的现象。这导致电导体的有效电阻增加。电流的频率越高，电导体的有效电阻就越高。
8.以高准确性测量ac电流是一个挑战。


技术实现要素：

9.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统和用于测量ac电流的方法，特别是流过汇流条的ac电流。
10.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统和用于以改善的准确性测量ac电流的方法。
11.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统和用于以简单的方式、以经改善的准确性测量ac电流的方法。
12.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统和用于测量具有频率或具有从约100hz至约2000hz范围内的频率的ac电流的方法。
13.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统和用于以在
±
5％内的绝对准确性、或在
±
4％内的绝对准确性、或在
±
3％内的绝对准确性、或在
±
2％内的绝对准确性、或在
±
1％内的绝对准确性、来测量具有频率或具有从约100hz至约2000hz范围内的频
率的ac电流。
14.这些和其他的目的通过根据本发明的实施例的电流传感器来实现。
15.根据第一方面，本发明提供了一种用于测量ac电流的电流传感器系统，包括：汇流条，该汇流条具有预定义厚度和预定义宽度，并且具有基本上矩形的截面；传感器设备，该传感器设备包括沿第一方向(例如在汇流条的宽度方向上)间隔开预定义距离的两个传感器元件，每个传感器元件被配置成用于测量按第二方向(例如与第一方向垂直的，例如在汇流条的厚度方向上)取向的磁场分量；该传感器设备被配置成用于基于这些磁场分量来确定沿第一方向的磁场差或磁场梯度，并用于基于磁场梯度或磁场差来确定所述ac电流；其中传感器设备相对于汇流条而被定位成使得定位于两个传感器元件之间的中间的参考点位于距汇流条的侧面在第一方向上测得的第一距离处，并且位于距汇流条在第二方向上测得的第二距离处；其中第一距离是在从汇流条的宽度的70％至110％的范围内的值；并且第二预定义距离是在从0.5mm至4.0mm范围内的值。
16.图3中描绘了此类电流传感器系统的示例。根据本发明，传感器设备的参考点必须定位在相对于汇流条的特定区域中。这允许以简单的方式测量ac电流，尽管有趋肤效应，但具有经改善的准确性。
17.本发明人惊讶地发现，尽管有趋肤效应，但不仅对于低频电流(例如小于100hz)，而且对于具有包括从100hz至2000hz范围的预定义频率范围内频率的ac电流而言，由该传感器设备测得的磁场梯度(dbz/dx)与ac电流基本成比例。
18.需要指出，传感器设备的该位置，或者更具体地而言，传感器设备的参考点的该位置与“汇流条中心的上方”的位置有很大不同。
19.令人惊讶地发现，在该位置处测得的梯度信号基本上与ac频率无关。或者换句话说，令人惊讶地发现，尽管存在趋肤效应，但在该位置处测得的梯度信号利用预定义常数与ac电流的幅度成比例，该预定义常数与在预定义的频率范围内的频率无关，例如高达约2khz的频率。
20.相反，在汇流条的中心上方测得的梯度信号(如图1所描绘)对于具有2khz的频率的ac电流相对于具有相同幅度的、具有约100khz的频率的ac电流衰减了大约12％。
21.令发明人非常惊讶的是，梯度与频率的位置甚至存在极不相关。不仅是它的存在，而且它的位置也不可能基于现有技术知识来预测。
22.本发明的重要见解在于，通过故意将梯度测量传感器设备安装在预定义的位置，或者说安装在预定义的区域内(这里也称为相对于汇流条的“最佳区域”)并通过测量所述位置的磁场梯度dbz/dx，可以以改善的准确性来测量ac电流。优点在于该电流传感器具有优秀的ac响应(＝技术效果)。
23.优选地，该传感器设备不包含磁通量聚集器(也被称为集成磁聚集器)。优选地，汇流条未被集成在传感器设备内。
24.在实施例中，第一距离(ds)是在从汇流条的宽度(w)的70％至95％的范围内的值。此类位置也与汇流条的“边缘上方”的位置是基本上不同的。
25.在实施例中，频率范围是从100hz至2000hz的范围。
26.在实施例中，频率范围是从1hz至2000hz的范围。
27.在实施例中，频率范围是从100hz至2500hz的范围。
28.在实施例中，频率范围是从1hz至2500hz的范围。
29.在实施例中，传感器设备相对于汇流条而被定位成使得对于具有在预定义频率范围内的频率的ac电流而言，ac电流的幅度与磁场梯度的幅度的比率在
±
3.0％的预定义公差裕度内基本上是恒定的，所述预定义频率范围至少包括从100hz至2000hz的范围。
30.换句话说，对于具有预定义频率范围内的任何频率的ac电流而言，磁场梯度(dbz/dx)的幅度(或振幅)使用恒定因子与ac电流的幅度(或振幅)基本上成比例。
31.对于所述频率范围内的任何频率而言，“比率基本上恒定”意味着梯度的幅度(或振幅)在预定义的公差裕度内基本上等于(要被测量的)ac电流的幅度(或振幅)乘以预定义的恒定值。
32.在实施例中，预定义的公差裕度是
±
2.5％。
33.在实施例中，预定义的公差裕度是
±
2.0％。
34.在实施例中，预定义的公差裕度是
±
1.5％。
35.在实施例中，预定义的公差裕度是
±
1.0％。
36.在实施例中，传感器设备对于汇流条而被定位成使得对于具有在预定义频率范围内的频率的ac电流而言，磁场梯度或磁场梯度相对于ac电流的相位的相移在
±
3.0
°
的预定义公差裕度内基本上是恒定的，该预定义频率范围至少包括从100hz至2000hz的范围。
37.预定义公差裕度可以是
±
2.5
°
、或者
±
2.0
°
、或者
±
1.5
°
、或者
±
1.0
°
。
38.在实施例中，传感器设备相对于汇流条而被定位成使得对于具有在预定义频率范围内的频率的ac电流而言，磁场梯度的复数表示和ac电流的复数表示的比率是在
±
3.0％的第一预定义公差裕度内具有基本上恒定的幅度、并且在
±
3.0
°
的第二预定义公差裕度内具有基本上恒定的相位的复数值，预定义频率范围至少包括从100hz至2000hz的范围。
39.复数比率的幅度也被称为“衰减”，并且复数比率的相位也被称为“相移”。第一预定义公差裕度可以是
±
3.0％、或者
±
2.5％、或者
±
2.0％、或者
±
1.5％、或者
±
1.0％。第二预定义公差裕度可以是
±
3.0
°
、或者
±
2.5
°
、或者
±
2.0
°
、或者
±
1.5
°
、或者
±
1.0
°
。设想了这些第一公差裕度和第二公差裕度的所有组合。
40.换句话说，在该实施例中，所述磁场梯度(dbz/dx)相对于生成所述磁场梯度(dbz/dx)的正弦ac电流的衰减(a)和相移两者与ac电流的频率基本上无关。
41.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
2.5％，并且第二预定义公差裕度为
±
2.5
°
。
42.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
2.0％，并且第二预定义公差裕度为
±
2.0
°
。
43.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
1.5％，并且第二预定义公差裕度为
±
1.5
°
。
44.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
1.0％，并且第二预定义公差裕度为
±
1.0
°
。
45.在这些示例中，第一公差裕度和第二公差裕度的数值是相同的，但这对于本发明起作用不是必需的。
46.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
4.0％，并且第二预定义公差裕度为
±
1.0
°
。
47.在实施例中，第一预定义公差裕度为
±
3.0％，并且第二预定义公差裕度为
±
1.0
°
。
48.在实施例中，传感器设备相对于汇流条被定位成使得对于具有在预定义频率范围内的频率的ac电流而言，第一磁场分量(bz1)的实部在
±
3.0％的(第三)预定义公差裕度内基本上等于第二磁场分量(bz2)的实部，并且使得第一磁场分量(bz1)的虚部在所述(第三)预定义公差裕度内基本等于第二磁场分量(bz2)的虚部，该预定义频率范围至少包括从100hz至2000hz的范围。
49.在实施例中，(第三)预定义公差裕度为
±
2.5％、或者
±
2.0％、或者
±
1.5％、或者
±
1.0％。
50.在实施例中，汇流条的矩形截面具有在从2.0mm至5.0mm范围内的厚度，或在从3.0mm至5.0mm范围内的厚度。
51.在实施例中，汇流条的矩形截面具有在从3.0mm至10.0mm范围内、或在从4.0mm至10.0mm范围内、或在从5.0mm至10.0mm范围内、或在从3.0mm至8.0mm范围内、或在从4.0mm至8.0mm范围内、或在从5.0mm至8.0mm范围内的宽度或有效宽度。
52.在实施例中，该宽度在传感器元件附近(例如，如图1(a)所图示)至少10mm或至少15mm、或至少20mm的长度上是恒定的，在传感器元件沿汇流条的纵向方向上所位于的虚拟平面α的任一侧上至少5mm的长度上是恒定的。
53.在实施例中，该两个传感器元件是两个水平霍尔元件。这些传感器元件优选地被集成在半导体衬底中。该半导体衬底优选地按与汇流条的表面平行、与汇流条的矩形截面垂直而取向。这两个传感器元件优选地在汇流条的宽度方向上间隔开。
54.在实施例中，两个水平霍尔元件间隔开在从0.5mm至4.0mm范围内、或在从0.5mm至3.0mm范围内、或在从1.0mm至4.0mm范围内、或在从1.0mm至3.0mm范围内、或在从1.5mm至2.5mm范围内的距离，该距离例如等于约500μm、或等于约600μm、或约700μm、或约800μm、或约900μm、或约1000μm、或约1100μm、或约1200μm、或约1300μm、或约1400μm、或约1500μm、或约1600μm、或约1700μm、或约1800μm、或约1900μm、或约2000μm、或约2100μm、或约2200μm、或约2300μm、或约2400μm、或约2500μm、或约2600μm、或约2700μm、或约2800μm、或约2900μm、或约3000μm。
55.模拟已经表明，如果霍尔元件之间的距离dx稍微改变，则“最佳点”(其中衰减偏差＝0％并且相移＝0
°
)的位置可能稍微改变。
56.在实施例中，第二预定义距离是在从0.5mm至4.0mm范围内、或在从1.0mm至4.0mm范围内、或在从1.5mm至4.0mm范围内、或在从1.5mm至3.0mm范围内、或在从0.5mm至3.5mm范围内、或在从1.0mm至3.0mm范围内(例如等于约0.5mm，或等于约1.0mm，或等于约1.5mm，或等于约2.0mm，或等于约2.2mm)的值。
57.在实施例中，两个水平霍尔元件间隔开在从0.5mm至4.0mm的范围内、或在从1.0mm至3.0mm的范围内、或在从1.5mm至2.5mm的范围内的距离；并且汇流条的矩形截面具有在从2.0mm至5.0mm的范围内的厚度以及在从3.0mm至10mm范围内(或在从5mm至10mm的范围内)的宽度；并且参考点位于以下区域中的一个或多个区域中：i)在第一预定义距离(ds)是在从汇流条的宽度的70％至95％的范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从0.5mm至4.0mm范围内的值的预定义区域中；ii)在所述第一预定义距离(ds)是在从宽度的70％至
82％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从0.5mm至1.5mm范围内的值的预定义区域中；iii)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的72％至87％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.5mm至2.5mm范围内的值的预定义区域中；iv)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的77％至95％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从2.5mm至4.0mm范围内的值的预定义区域中。
58.在实施例中，两个水平霍尔元件间隔开在从0.5mm至4.0mm的范围内、或在从1.0mm至3.0mm的范围内、或在从1.5mm至2.5mm的范围内的距离；并且汇流条的矩形截面具有在从2.0mm至5.0mm的范围内的厚度以及在从3.0mm至10mm范围内(或在从5mm至10mm的范围内)的宽度；并且参考点位于以下区域中的一个或多个区域中：i)在第一预定义距离(ds)是在从汇流条的宽度的70％至95％的范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.0mm至3.5mm范围内的值的预定义区域中；ii)在所述第一预定义距离(ds)是在从宽度的70％至82％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.0mm至1.5mm范围内的值的预定义区域中；iii)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的72％至87％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.5mm至2.5mm范围内的值的预定义区域中；iv)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的77％至95％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从2.5mm至3.5mm范围内的值的预定义区域中。
59.在变体中，汇流条的矩形截面具有在从3.0mm至5.0mm范围内的厚度以及在从6.0mm至10.0mm范围内的宽度，并且参考点位于上述区域的任何区域中。
60.在实施例中，两个水平霍尔元件间隔开在从0.5mm至4.0mm的范围内、或在从1.0mm至3.0mm的范围内、或在从1.5mm至2.5mm的范围内的距离；并且汇流条的矩形截面具有在从2.0mm至5.0mm的范围内的厚度以及在从3.0mm至10mm范围内的宽度；并且参考点位于以下区域中的一个或多个区域中：i)在第一预定义距离(ds)是在从汇流条的宽度的74％至88％的范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.0mm至3.3mm范围内的值的预定义区域中；ii)在所述第一预定义距离(ds)是在从宽度的74％至81％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从1.0mm至2.0mm范围内的值的预定义区域中；iii)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的75％至86％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从2.0mm至2.5mm范围内的值的预定义区域中；iv)在第一预定义距离(ds)是在从宽度的77％至88％范围内的值、并且第二预定义距离(zs)是在从2.5mm至3.3mm范围内的值的预定义区域中。
61.在变体中，汇流条的矩形截面具有在从3.0mm至5.0mm范围内的厚度以及在从6.0mm至10.0mm范围内的宽度，并且参考点位于上述区域的任何区域中。
62.在实施例中，两个水平霍尔元件间隔开在从0.5mm至4.0mm范围内、或在从1.0mm至3.0mm范围内、或在从1.5mm至2.5mm范围内的距离；并且其中所述汇流条的所述矩形截面具有在从2.0mm至5.0mm范围内的厚度以及在从3.0mm至10mm范围内的宽度；并且所述参考点位于以下区域中的一个或多个区域中：i)在截面平面中具有由以下四个点通过直线相互连接而定义的梯形形状的预定义区域中：(ds＝80％,zs＝4.0mm)、(ds＝110％,zs＝4.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)；ii)在截面平面中具有由以下五个点通过直线相互连接而定义的形状的预定义区域中：(ds＝80％,zs＝4.0mm)、(ds＝98％,zs＝4.0mm)、(ds＝98％,zs＝3.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0mm)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)；iii)在截面平面中具有由以下四个点通过直线相互连接而定义的梯形形状的预定义区域中：(ds
＝70％,zs＝0.0mm)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0mm)、(ds＝85％,zs＝0.0mm)；其中ds是第一距离，并且zs是第二距离。
63.在该实施例的变体中，不规则五边形区域被截断到96％(而不是98％)、或94％、或92％、或90％、或88％的最大ds值。
64.在该实施例的变体中，汇流条的宽度是在从4.0mm至10.0mm范围内、或在从5.0mm至10.0mm范围内的值。
65.在实施例中，汇流条在长度至少为5.0mm上具有基本上束状的部分，该部分在传感器设备所位于的位置附近具有恒定的矩形截面。
66.在实施例中，两个水平霍尔元件两者都位于“汇流条上方”。或者换句话说，在这些实施例中，两个霍尔元件(在厚度方向上)的投影得到与汇流条的两个交叉点。
67.在实施例中，两个水平霍尔元件中的一个水平霍尔元件被定位在“汇流条上方”，并且两个水平霍尔元件中的另一个水平霍尔元件被定位成“紧邻”汇流条。或者换句话说，在这些实施例中，两个霍尔元件(在厚度方向上)的投影仅仅得到与汇流条的一个交叉点。
68.在实施例中，传感器设备进一步包括至少一个温度传感器和至少一个机械应力传感器；并且该传感器设备进一步被配置成用于基于磁场梯度以及基于所述温度和所述机械应力中的一者或两者来确定所述ac电流。
69.在实施例中，传感器设备包括用于测量第一和第二磁传感器元件的温度的第一和第二温度传感器，并且包括用于测量施加在第一和第二磁传感器元件上的机械应力的第一和第二机械应力传感器，并且传感器设备被进一步配置成用于基于磁场梯度、并且基于所述第一和第二温度以及所述第一和第二机械应力例如以ep3109658(a1)中所述的方式来确定所述ac电流。
70.在另一实施例中，传感器设备包括：半导体衬底，半导体衬底包括第一和第二磁传感器元件；第一和第二偏置装置，用于对第一和第二磁传感器元件进行偏置；第一和第二放大器，用于对由第一和第二磁传感器元件提供的第一和第二传感器信号进行放大；以及模数转换器(adc)，用于将第一和第二传感器信号或由其导出的信号进行数字化；并且其中传感器设备进一步包括以下各项中的至少一项：(i)温度传感器，以及(ii)差分应力传感器，用于测量施加在第一和第二磁传感器上的差分应力；并且其中传感器设备进一步被配置成用于在确定第一信号或从第一传感器信号导出的第一值与第二信号或从第二传感器信号导出的第二值之间的差之前，基于温度值(t)和/或差分应力值(δ∑)的预定义函数来调整以下各项中的至少一项：偏置信号、第二放大器增益、和经放大的第二传感器信号的数字值；例如以同一申请人于2020年3月23日提交的共同未决专利申请号ep20165059.5和/或同一申请人于2021年3月7日提交的共同未决专利申请ep21161150.4中所述的方式，这两份申请通过引用整体结合于此。
71.根据第二方面，本发明还提供了一种使用根据第一方面的电流传感器系统测量具有预定频率范围内的频率的ac电流的方法，该方法包括以下步骤：a)由传感器设备测量沿第一方向(例如，在汇流条的宽度方向上)间隔开的两个不同位置处的、按第二方向(例如在汇流条的厚度方向上)取向的第一和第二磁场分量(例如，bz1、bz2)；b)确定这些磁场分量的差；c)基于所述差来确定所述ac电流。
72.在实施例中，传感器设备包括数字处理电路，并且步骤b)和c)由包含在传感器设
备中的所述数字处理电路来执行。
73.在实施例中，步骤c)包括：通过将差δbz的幅度或磁场梯度dbz/dx乘以预定义因子来确定ac电流。
74.该因子可以是预定义常数值。该值可以通过校准、或通过模拟、或以任何其他合适的方式确定。该常数可以是硬编码的或者可以存储在传感器设备的非易失性存储器中。
75.在实施例中，该方法进一步包括步骤d)测量一个或两个传感器元件的温度和/或测量施加在一个或两个传感器元件上的机械应力；以及步骤c)包括：基于磁场梯度并基于所述温度和所述机械应力中的一者或两者来确定所述ac电流。
76.例如，对温度和/或机械应力的校正可以按照ep3109658(a1)中描述的相同方式来执行，该申请通过引用整体结合于此。
77.在实施例中，传感器设备进一步包括：半导体衬底，半导体衬底包括第一和第二磁传感器元件；第一和第二偏置装置，用于对第一和第二磁传感器元件进行偏置；第一和第二放大器，用于对由第一和第二磁传感器元件提供的第一和第二传感器信号进行放大；模数转换器，用于将第一和第二传感器信号或由其导出的信号进行数字化；以及以下各项中的至少一项：(i)温度传感器，用于测量半导体衬底的温度，以及(ii)差分应力传感器，用于测量施加在第一和第二磁传感器上的差分应力；以及处理装置，该处理装置具有连接到adc的输出端的输入端口；并且其中该方法进一步包括：步骤d)测量温度和/或测量机械差分应力；以及其中该方法进一步包括以下步骤：在确定第一信号或从第一传感器信号导出的第一值与第二信号或从第二传感器信号导出的第二值之间的差之前，基于所测得的温度和/或所测得的差分应力的预定义函数来调整偏置信号和/或调整放大器增益和/或调整经放大的第二传感器信号的数字值。
78.这些方法步骤在同一申请人于2020年3月23日提交的共同未决专利申请号ep20165059.5和同一申请人于2021年3月7日提交的共同未决专利申请号ep21161150.4中进行了更详细的描述，这两份申请通过引用整体结合于此。
79.该方法的主要优点在于可以进一步改善ac电流测量的准确性，特别是通过显著地降低或甚至完全消除外部干扰场。
80.在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
81.根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
82.图1(a)示出电流传感器布置的透视图，并且图1(b)示出电流传感器布置的截面图，其中电流传感器设备被安装在基本上在汇流条的中间的上方。
83.图1(c)示出对于沿x轴的传感器设备的不同位置和对于不同频率而言、由图1(a)的传感器设备所测得的磁场梯度dbz/dx的幅度。如可以看出，中心位置提供了最大的信号。
84.图2(a)示出了在汇流条的横向方向上的不同位置处并且针对不同频率测得的磁场梯度dbz/dx的幅度的绘图。
85.图2(b)示出对于汇流条的横向方向上的不同位置和对于不同频率而言、频率为f的正弦电流信号的磁场梯度dbz/dx相对于在同一位置处测得的dc信号的磁场梯度dbz/dx的衰减的绘图。
86.图2(c)示出对于汇流条的横向方向上的不同位置和对于不同频率而言、频率为f的正弦电流信号的磁场梯度dbz/dx相对于在同一位置处测得的dc信号的磁场梯度dbz/dx的相移的绘图。
87.图3(a)示出了本发明提出的电流传感器系统。
88.图3(b)是彼此间隔开的两个传感器元件在它们之间的中间定义了(假想的)参考点的示意图。
89.图3(c)是示出如由本发明所提出的传感器设备相对于汇流条的优选位置的示意图。
90.图4(a)至图4(e)各自示出了上部图和下部图。上部图示出传感器设备相对于汇流条的不同位置的磁场梯度dbz/dx的衰减变化(以％为单位)，下部图示出传感器设备相对于汇流条的不同位置的磁场梯度dbz/dx的相移变化(以
°
为单位)。
91.图4(a)示出针对具有5mm的宽度的汇流条的曲线。
92.图4(b)至图4(e)分别示出针对具有6mm、7mm、8mm和10mm的宽度的汇流条的曲线。
93.图5示出与图4(a)至图4(e)的图相对应的表，示出在距汇流条3mm、4mm或5mm的距离zs时，实现磁场梯度dbz/dx的0％衰减的传感器设备的理想横向位置，以及实现磁场梯度dbz/dx的0
°
相移的理想横向位置。如可以看出的，这些理想位置并不完全相同，但令人惊奇的是非常接近于彼此。
94.图6(a)示出对于传感器设备相对于汇流条的不同位置而言、具有在从2mm至5mm范围内的厚度t并且具有在从5mm至10mm范围内的宽度w的汇流条的“0
°
相移曲线”，而图6(b)示出“0％衰减曲线”。还指示了根据本发明的实施例的传感器设备的参考点将位于的“优选区域”。
95.图7(a)和图7(b)分别示出根据本发明的实施例的与图6(a)和图6(b)相同的、具有较小的“优选区域”的绘图，传感器设备的参考点将位于该“优选区域”中。
96.图8(a)和图8(b)示出根据本发明的实施例的图6(a)和图6(b)中的、针对汇流条宽度从6mm至10mm的绘图的子集以及较小的“优选区域”，传感器设备的参考点将位于该“优选区域”中。
97.图9(a)和图9(b)示出了图6(a)和图6(b)的绘图，并示出了对于具有从2mm至5mm的厚度t以及从5mm至10mm的宽度w的某些汇流条而言，衰减偏差为0％和相移为0
°
的示例性“最佳点”的位置，并示出根据本发明的一些实施例的传感器设备的、参考点将位于的最佳点中的一些最佳点周围的窄“区域”。
98.图10(a)至图10(e)示出各种汇流条的俯视图。图10(a)的汇流条是笔直的汇流条。图10(c)的汇流条具有单个切口(或凹槽)。图10(b)、图10(d)和图10(e)的汇流条在汇流条的相对侧上具有两个切口。这些汇流条也可用于本发明的实施例中。要考虑的有效宽度wp在这些图中的每个图中都被指示。
99.图10(f)和图10(g)示出图10(b)中的、具有6mm的有效宽度并且针对范围在从3mm至8mm的切口的长度的汇流条的模拟结果。
100.图11(a)示出汇流条的部分的俯视图，并且图11(b)示出汇流条的部分的截面图，该汇流条在汇流条的相对侧上具有两个狭缝，形成用于电流的锯齿形通道。该汇流条也可用于本发明的实施例中，只要狭缝彼此之间间隔开足够宽(在y方向上)并且足够远，并且足够深(在x方向上)。要考虑的有效宽度wp在这些图中被指示。
101.图12(a)至图12(c)示出与图2(a)至图2(c)的绘图类似的绘图，但对于图11的汇流条而言，具有形成锯齿形的两个狭缝。
102.图13示出了可在本发明的实施例中使用的电路的示例性框图。
103.图14示出了可在本发明的实施例中使用的电路的示例性框图。
104.各附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
105.将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实施的实际减少。
106.此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或以任何其他方式描述顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或解说的不同的顺序来进行操作。
107.此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向进行操作。
108.要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应当被限定于仅由组件a和b构成的设备。它意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是a和b。
109.贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
110.类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之
后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
111.此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。
112.在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
113.在本文档中，“电流传感器系统”或“电流传感器布置”含义相同。它们指的是系统或布置，包括用于传导电流的汇流条和用于测量该电流的电流传感器设备。
114.已知复数可以由振幅(或幅度)和相位表示，或者由实部和虚部表示。例例如，复数“1 i”也可以用具有幅度(或振幅)为√2以及相位为45
°
的向量来表示。
115.在本文档中，术语“磁场梯度”dbz/dx指的是沿x方向的磁场分量bz的空间梯度。在实践中，除以dx的除法通常被忽略。
116.在本文档中，术语“磁场差”δbz用于指示两个磁场分量之间的差。
117.在本文档中，术语“磁场梯度”和“磁场差”可以互换地使用，除非另有提及或从上下文中另有明确说明。
118.本发明涉及基于磁传感器的电流传感器，也被称为“磁电流传感器”，如可以用在工业应用或汽车应用中(例如，用于测量提供给例如电动车辆或混合动力车辆中电机的电流)。此类电机可以使用相对较大的ac电流来驱动，例如，具有几十或甚至几百安培幅度的基本上正弦波电流。本发明特别关注准确地测量此类ac电流。
119.正如在背景技术部分已提及的，已知当ac电流流过电导体时，将发生被称为“趋肤效应”的现象。这导致电导体的有效电阻增加。电流的频率越高，电导体的有效电阻就越高。
120.本发明的发明人的任务是提供一种能够以改善的ac准确性测量流过汇流条(诸如图1(a)所示的汇流条)的ac电流的传感器系统。例如，该ac电流可以是具有从例如100hz到例如2000hz的任何频率的正弦波电流。
121.发明人决定使用梯度传感器设备(即能够测量磁场梯度的传感器设备)，因为这提供了传感器对外部干扰场高度不敏感的优点，尽管缺点是梯度信号通常比从其导出梯度的磁分量信号弱一数量级。
122.图1(a)示出电流传感器100的透视图，并且图1(b)示出电流传感器100的截面图，包括在纵向(y方向)上延伸的汇流条101。汇流条101在z方向具有厚度t，并且在x方向具有宽度w。汇流条101在与x
‑
z平面平行的横向平面α上具有矩形截面。要测量的电流i在y方向上流动，y方向基本上与横向平面α垂直。
123.图1(c)示出当传感器设备102位于一定的距离“g”(也称为“气隙”)时，在x方向间隔开的两个位置处测量的、由正弦电流产生的磁场的按z方向取向的两个磁场分量bz1、bz2之间的差的幅度|δbz|随着横向位置x变化的曲线。
124.这些曲线例如可以通过执行模拟而获得。使用具有6mm的宽度并且具有3mm的厚度的汇流条对具有100hz、200hz、400hz、600hz、800hz、1000hz和2000hz的频率的正弦波电流
执行了模拟，并假设传感器元件被间隔开2.2mm。
125.可以看出，当传感器设备102被定位在汇流条101的中间时，获得了最大的幅度|δbz|。这是可以测得“最大信号”的位置，从而提供最佳的信噪比(snr)，但在该位置，测量非常依赖于ac电流的频率，这是不期望的。
126.发明人更进一步并且注意到，相对较低频率的曲线基本上重合(对于100hz至600hz的曲线亦是如此)，但随着频率的增加，曲线开始偏离，特别是在汇流条的中心附近。事实上，800hz、1000hz和2000hz曲线的最大值分别只有100hz曲线的最大值的约97％、95％和88％。或者换言之，由于趋肤效应，800hz、1000hz和2000hz的梯度信号分别衰减了3％、5％和12％。
127.这意味着，如果电流是完全正弦的，并且如果电流的频率是已知的，则传感器设备可以补偿这种衰减并提供准确的测量，但问题是，通常提供给电机的ac电流具有不同的频率和/或不是完全正弦的，这意味着，电流波形通常具有许多频率。因此，在不确定频率内容的情况下，似乎不可能准确地测量电流。在一些应用中，还期望能够准确地检测系统故障(诸如电流尖峰或过电流)这些故障可能以比提供给负载的基本频率更高的频率发生。
128.发明人更进一步并且出人意料地注意到，在传感器设备被安装成更靠近汇流条的边缘时，曲线改变位置。事实上，从图1(c)中可以看出，2000hz曲线(用黑色方块指示)提供比100hz曲线(由黑色圆圈指示，该曲线被定位成低于带方块的曲线)的梯度信号更大的梯度信号，这与在中心附近的曲线位置相反。该位置改变似乎发生在用字母“c”指示的点附近。发明人决定在图2(a)至图2(c)中更详细地研究这一点。
129.图2(a)是图1(c)的副本，示出磁场梯度dbz/dx的幅度或实际上是信号δbz的幅度，或|bz|＝|bz1
‑
bz2|，bz1是在第一传感器位置x1处测量的第一磁场分量bz1的值，并且bz2是在第二传感器位置x2处测量的第二磁场分量的值，第二传感器位置x2沿x方向与x1间隔开距离dx(参见图3(b))。针对多个频率的曲线被示出。
130.与其盯着图2(a)的幅度信号并且想知道如何应对不同频率的不同衰减(上述97％、95％和88％)，发明人采取了完全不同的方法，并且想到模拟和具体化针对各种频率的衰减(或相对于100hz信号的梯度的衰减变化)和随着传感器设备沿x轴的位置变化的信号δbz(f)的相移，分别得出图2(b)和图2(c)。
131.针对范围从100hz到2000hz的若干频率，图2(b)示出具有衰减曲线的图，并且图2(c)示出具有随着沿x轴的位置变化的差分信号δbz(f)的相移曲线的图。
132.非常令人惊讶的并且完全出乎意料的是，他们发现100hz、200hz、400hz、600hz、800hz、1000hz和2000hz的相对衰减曲线似乎都通过单个(虚拟)“d”点，并且他们还发现100hz、200hz、400hz、600hz、800hz、1000hz和2000hz的相移曲线似乎都通过单个(虚拟)“e”点，并且他们注意到，尽管“d”点和“e”点并不完全重合，但它们非常紧密地被定位在一起。
133.发明人想知道，如果将传感器设备放置在沿x轴的某个位置，靠近“d”点和“e”点的附近区域(例如在“d”点处、或在“e”点处、或在“d”点或“e”点之间(例如在“d”点和“e”点的中间))会发生什么。并且他们还想知道“d”点和“e”点在实践中位于何处，“d”点和“e”点取决于哪些参数，以及如何确定它们。
134.考虑到这一点，他们执行了另一组模拟，在图4和图5中描绘了该组模拟的结果，但在描述它们之前，在图3(a)至图3(c)中解释了所涉及的参数。
135.图3(a)示出了本发明提出的电流传感器系统200。该电流传感器系统200包括汇流条201和相对于汇流条安装的电流传感器设备202。汇流条201例如可以是金属条，该金属条具有在y方向上延伸的细长形状并且在与电流流过汇流条的方向基本上垂直的平面上具有矩形截面。该截面具有厚度t和宽度w。
136.在本发明的所有实施例中，假设宽度w等于或大于厚度t(w≥t)。汇流条例如可以由铜或铝、或铜合金或铝合金制成，但本发明不限于此，并且也可以使用其他导电材料。
137.电流传感器设备202是集成半导体设备，包括衬底(未明确示出)，包括至少两个磁传感器元件h1、h2，例如间隔开距离dx的两个水平霍尔元件。该距离优选地是在从约1.0mm至2.5mm，或从1.5mm至2.5mm的范围内的数值，例如等于约1.8mm、或等于约2.0mm、或等于约2.2mm，但本发明不限于此，也可以构想从0.5mm至4.0mm范围内的其他距离。
138.图3(b)是可用于本发明的实施例的电流传感器的示意图，包含两个水平霍尔元件h1、h2。传感器设备201优选地被取向成使得半导体衬底基本上与汇流条的上表面平行，即与图3(a)的x
‑
y平面平行，或者换句话说：与纵向方向y平行，并且与横向方向x(也被称为“宽度方向”)平行。第一水平霍尔元件h1位于第一传感器位置x1处。第二水平霍尔元件h2位于第二传感器位置x2处，第二传感器位置x2位于沿x轴(即在汇流条的横向方向上)距第一传感器位置距离dx处。出于描述的目的，在第一传感器元件与第二传感器元件之间的中间定义了(假想的)参考点“r”，因此在沿x轴的位置x＝(x1 x2)/2处。该参考点“r”允许传感器设备202的位置由两个参数定义：参考点“r”与汇流条201之间的第一距离“zs”(在z方向上测得的)，以及参考点“r”与汇流条201的侧面“s”之间的第二距离“ds”(在x方向上测得的)，如图3(c)中所图示。
139.图3(c)是示出参考点“r”的优选位置，并且由此本发明提出的传感器设备202相对于汇流条201的优选位置的示意图。
140.如本文所提出的，传感器设备202相对于汇流条201被定位成使得参考点r位于矩形区域360内，在本文中被称为“最佳区域(sweet zone)”。在其最广泛的形式中，该区域可以被指定为其中传感器设备的参考点r与汇流条之间的、在z方向上测得的第一距离“zs”是从0.5mm至4.0mm的范围内的值；并且其中参考点r和汇流条的侧面“s”之间的、在x方向上测得的第二距离“ds”是从汇流条的宽度“w”的70％至110％的范围内或宽度“w”的70％至95％的范围内的数值。当然，也可以使用其他参数来定义相同的位置。例如，代替指定参考点r与汇流条侧表面s之间的(在x方向上测得的)距离“ds”，还可以指定参数"xs"是参考点r与汇流条的中间的(在x方向上测得的)距离。可以使用公式：ds＝(w/2) xs将参数xs转换为参数ds。作为示例，从汇流条的侧面来看，位置xs＝一半宽度(w/2)的20％与ds＝50％ 10％＝60％相对应。将进一步给出其他示例。
141.令人惊讶地发现，如果传感器设备201以其参考点r在该“最佳区域”内而被定位，与图1中传感器设备位于汇流条中间的系统的ac响应相比，该传感器系统具有更好的ac响应，尽管图2(a)中c点的信号δbz(在100hz下)的幅度只有在图2(a)中的a点测得的信号δbz(在100hz下)的幅度的76％左右。这意味着在c点附近区域的信噪比(snr)可能略差(与“a”点相比)，但在一些应用中，频率响应方面的优势可能更重要。
142.更具体地，如果传感器设备位于“最佳区域”，那么不管ac电流的频率如何，至少对于从约100hz至约2000hz范围内的频率而言，梯度信号δbz与ac电流的幅度之间的关系是
基本上恒定的。这意味着，例如，对具有从100hz至2000hz范围内选择的单个频率的纯正弦ac电流的测量通常具有至少与图1的系统100相同的准确性，只要图1的系统会针对该特定频率使用正确的衰减因子，但图2的系统不需要知道频率，也不需要对不同频率应用不同的衰减因子。
143.但可能更重要的是，作为本发明底层的发现，以及本发明基于该发现提出的解决方案，还意味着具有带有许多谐波的波形的ac电流(例如块波(也称为“方波”)、或三角波、或甚至具有多个谐波的非周期性波形)将以改善的准确性进行测量。不熟悉术语“谐波”和“傅里叶分析”的读者可以例如参考https://en.wikipedia.org/wiki/square_wave以获得更多信息。
144.除了改善的准确性之外，本发明的测量还只需要最小的处理能力(不需要dft、不需要fft或频谱分析、不需要强大的处理器或ram)，并且只需要最小的延迟(通常是单个采样周期)，允许以非常高的频率对电流进行采样。事实上，可以通过测量磁场分量bz1和bz2，通过计算这些信号的差(或梯度)，并且通过将该差与预定义的常数因子k相乘来几乎即时地确定ac电流的瞬时幅度，该预定义的常数因子k与电流的频率(或多个频率)无关。
145.如将进一步所解释的，“最佳区域”的边界取决于所需的精度，并且最佳区域的面积将随着所需精度的增加而减少。
146.图4(a)示出如图3(c)所示的传感器系统的模拟结果，该传感器系统具有带有矩形截面的汇流条，传导具有2000hz的频率的正弦电流。上图示出如由参数zs和xs所定义的各种位置的衰减偏差(以％为单位)，并且下图示出相移(以度为单位)。
147.从图例中可以看出，上图的虚线曲线(由黑色方块指示)示出衰减变化为0％的位置，即信号δbz(在2000hz下)的幅度等于信号δbz(在100hz下)在同一位置测得的幅度。完整的曲线(由黑色三角形指示)示出衰减偏差为 2％或
‑
2％的位置，即信号δbz(在2000hz下)的幅度相对于信号δbz(在100hz下)在同一位置测得的幅度偏离 2％或
‑
2％的位置。具有三角形的曲线之间的(白色的)区域是衰减变化的绝对值小于2％的位置。
148.同样，下图的虚线曲线(具有黑色方块)示出信号δbz的相位(在2000hz下)为0
°
的位置；而完整的曲线(具有三角形)示出在同一位置测得的信号δbz的相位(在2000hz下)偏离了 2
°
或
‑2°
的位置。
149.例如，如果传感器设备被选择成定位在距汇流条z＝5.0mm距离处，那么衰减偏差＝0％的理想x位置位于由白色方块(在黑色箭头的顶部上)所指示的位置处，该位置大约位于距汇流条右侧ds＝78％处。相位偏移＝0
°
的理想x位置位于由白色圆圈(在黑色箭头的顶部上)所指示的位置处，该位置大约位于距汇流条右侧ds＝81％处。这些理想的x位置并不完全相同，但它们只相差3％，因此它们彼此非常接近。
150.当然，在实践中，传感器设备只能位于一个位置上。
151.作为示例，如果传感器设备的参考点r位于白色圆圈的位置处，那么相移为0
°
，并且衰减偏差大约等于 1％。
152.作为另一示例，如果传感器设备的参考点r位于白色圆圈的位置处，那么衰减偏差为0
°
，并且相移大约等于
‑1°
。这些都是用于定位传感器设备的非常合适的位置。
153.但当然，本发明并不限于衰减偏差最多为
±
1％、并且相移最多为
±1°
的传感器系统，而是本发明对于稍大的公差裕度(例如
±
2％和
±2°
、或
±
3％和
±3°
、或
±
4％和
±4°
)
同样起作用。
154.返回参考图4(a)，在相移既小于给定的公差裕度(例如
±2°
)并且衰减偏差又小于给定的公差裕度(例如
±
2％)的x位置(在z＝5.0mm处)，在本文中是指由黑色箭头指示的“组合的
±
2％和
±2°
区域”，该区域位于距汇流条宽度w的约76％至约86％的ds值处，即在其中ds是距汇流条的侧面从约3.80mm至约4.30mm范围内的值的位置处。
155.为了比较，“组合的
±
1％和
±1°
区域”(在z＝5.0mm处)也由小的黑色箭头指示。这与范围在汇流条的宽度的约79％至约84％的ds值相对应，即ds值在距汇流条的侧面约3.95mm至约4.20mm之间的范围内。
156.但当然，本发明并不限于其中第一距离z为5.0mm的传感器系统，并且传感器设备也可以位于距汇流条的其他距离处，例如，位于在从约0.1mm至约5.0mm的范围内、或在从约0.5mm至约4.5mm的范围内的距离zs处、或在从约1.0mm至约4.0mm范围内的距离zs处。对于每个所选择的z值而言，可以通过借助于这些模拟曲线找到x值(或ds值)的范围，在该范围中，衰减在第一公差裕度内(例如
±
4％)基本上恒定和/或相位在第二公差裕度内(例如
±4°
)基本上恒定。
157.图4(b)至图4(e)分别示出了与图4(a)类似的、针对分别具有w＝6mm、w＝7mm、w＝8mm和w＝10mm的宽度的汇流条的图。应用相同的原理，但是当然，曲线是不同的，并且因此位置也略微不同。可以看出，其中衰减偏差接近0％的(白色)区域和其中相移接近0
°
的(白色)区域具有“香蕉形状”，该“香蕉形状”在接近汇流条(较小的z值)时是非常窄的，并且在增加z(即距汇流条的更大的距离)时通常向外弯曲并且变宽。
158.在图4(b)中，其中相移为0
°
的x位置由白色圆圈指示。如果传感器位于z＝5mm处，则衰减偏差将大约为 1％。
159.在图4(c)中，其中相移为0
°
的x位置同样由白色圆圈指示。如果传感器位于z＝5mm处，则衰减偏差将大约为 2％。更好的是移位传感器设备稍微更接近中间，以略微减少衰减偏差，代价是略微增加了相移。
160.如可从图4(b)和图4(c)所领会的，对于不同的z位置而言，
±
2％的衰减区域和
±2°
的相移区域(即上图的具有三角形的曲线与下图的具有三角形的曲线之间)仍然有相当大的重叠。
161.在图4(d)中，情况变得略微不同。可以看出，当z＝5.0mm时，如果传感器以其参考点“r”处于白色圆圈的位置(其中相移为0
°
)处而定位时，则衰减将偏离
±
2％的区域之外，但此类传感器系统仍然提供比现有技术的解决方案更准确的优秀的ac响应。存在若干选项。一个选项是维持该z和x
‑
位置，并允许稍微更大的公差裕度。另一个选项是维持z
‑
位置，但将x
‑
位置稍微向内移位到菱形的位置。这将稍微增加相移，但衰减偏差将移位到
“±
2％公差裕度”中。又另一选项是选择更大的z
‑
位置，例如z＝5.5mm。
162.如可从图4(e)所领会的，将传感器设备的参考点r定位在z＝5.0mm处并且定位在相移等于0
°
的位置处会导致相对较大的衰减偏差(大约10％的数量级)。基于图4(e)的图，将传感器定位到使得其参考点r位于z＝6.0mm或更高处似乎是更好的，但在实践中，在距汇流条如此高的距离处，信号可能变得相对较弱，并且信噪比可能变得重要。因此，更好的可能是将公差裕度增加到例如
±
3％、或
±
4％，并保持z值小于5.0mm，而不是增加z值。
163.较小的距离zs(因此较大的信号强度，较小的信噪比)相对于较大的衰减和/或相
移误差之间的权衡，不仅适用于具有10mm的宽度的汇流条，而且也适用于较小的汇流条。
164.应注意，图4(a)至图4(e)的模拟是针对具有厚度t＝3mm的汇流条而执行的，当然，本发明不限于此，并且也适用于具有在从约2.0mm至约5.0mm范围内的另一厚度(例如t＝2.5mm、或t＝3.0mm、或t＝3.5mm、或t＝4.0mm、或t＝4.5mm、或t＝5.0mm)的汇流条。可以执行类似的模拟，但不是所有的厚度和宽度的组合都要进行模拟，因为具有厚度t＝3.0mm和宽度w＝6.0mm(例如)的汇流条周围的磁场在缩放之后会与具有厚度t＝2.0mm和宽度w＝4.0mm的汇流条周围的磁场看起来一样。这意味着图4(a)不仅示出具有t＝3.0mm和w＝5.0mm的汇流条周围的磁场看起来如何，还示出具有t＝2.0mm和w＝3.33mm的汇流条周围、或具有t＝4.0mm和w＝6.67mm的汇流条周围、或具有t＝6.0mm和w＝10.0mm的汇流条周围等的磁场看起来如何。
165.此外，注意，图2(a)至图2(c)和图4(a)至图4(e)的模拟是针对磁传感器元件之间约2.2mm的预定义距离dx而执行的，但本发明不限于此，本发明对于其他距离也起作用，例如，在从0.5mm至4.0mm范围内、或在从1.0mm至3.0mm范围内、或在从1.5mm至2.5mm范围内(例如等于约1.5mm、或等于约1.6mm、或等于约1.7mm、或等于约1.8mm、或等于约1.9mm、或等于约2.0mm、或等于约2.1mm、或等于约2.2mm、或等于约2.3mm)的距离。根据经验，较大的距离dx通常导致较大的差分信号|δbz|幅度，因此通常会产生稍好的信噪比(snr)，但需要较大的芯片。可以在准确性与成本之间进行权衡。
166.在每种情况下，受益于本公开的技术人员可以很容易地执行类似上述的模拟，以找到针对其他参数的最佳位置，例如，针对另一个dx值。
167.图5示出与图4(a)至图4(e)的图相对应的表，示出在距汇流条3mm、4mm或5mm的距离zs时，实现0％衰减变化的传感器设备的理想横向位置，以及实现0
°
相移的理想位置。如可以看出的，这些理想位置并不完全相同，但接近于彼此而定位。
168.从图4(a)到图4(d)可以领会，本发明特别为具有在约1.67至约2.67范围内的长宽比w/t的汇流条提供了优秀的ac行为，但本发明不限于此，并且将为具有长宽比w/t高于2.67或小于1.67的汇流条提供非常好的ac行为，或仅仅是良好的ac行为。如以上所建议的，技术人员可以在(i)大信号强度(小的zs)但略微更大的误差和(ii)更小的信号强度(较大的zs)但更小的误差之间进行权衡(或折衷)。这对于具有小于1.67或大于2.67的w/t比的汇流条而言尤其如此。在该方面应注意的是，本发明还包括具有在从3.0mm至12.0mm范围内的宽度w(例如具有宽度w＝3.0mm、或w＝3.5mm、或w＝4.0mm、或w＝4.5mm、或w＝11mm、或w＝12mm)的汇流条。
169.虽然以上对本发明的原理进行了足够详细的说明和解释，以供技术人员能够进行本发明，但图4(a)至图4(e)的图可能不是明确定义保护范围的最佳方式。发明人对范围从0.5至4.0mm的z值进行了附加的模拟，并将针对各个w的0％衰减偏差曲线作为参数zs和ds的函数组合在单个图中(参见图6(a)、图7(a)、图8(a)和图9(a))。同样，针对各个w的0
°
相移曲线作为参数zs和ds的函数被组合在单个图形中(参见图6(b)、图7(b)、图8(b)和图9(b))。这些图允许借助矩形区域更好地定义保护范围，这对描述和验证是实用的。
170.图6(a)示出对于距汇流条的从0.0mm到4.0mm变化的各个距离zs以及横向位置xs(或ds)而言、具有从5mm到10mm变化的宽度w并且具有范围从2mm至5mm的厚度t(如图例所指示)的汇流条的“0
°
相移曲线”，而图6(b)示出“0％衰减偏差曲线”。
171.四个优选的矩形区域601、611、612、613被指示。根据本发明的实施例，如以上所定义的传感器设备的参考点要位于这些矩形区域中的一者中。由于涉及多个参数，下表中明确列出了这些区域的参数组合。
172.[0173][0174]
表1a：图6(a)和图6(b)所示优选实施例的参数组合
[0175]
实际上，如上所述，对于一些设想的实施例，参考点r可以基本上位于汇流条的边缘附近(例如ds＝100％)，或者甚至稍微超过边缘(例如ds＝110％)。因此，在其最广泛的形式下，本发明可以由以下参数的集合来描述(参见表1b)。
[0176]
应注意，t的值必须选择小于或等于w。因此，w＝3.0mm至10.0mm和t＝2.0mm至5.0mm实际上意味着，如果w＝3.0mm，则t＝2.0至3.0mm；而如果w＝4.0mm，则t＝2.0mm至4.0mm；如果w＝6.5mm，则t＝2.0mm至5.0mm。这在表头中由“t≤w”指示。
[0177][0178]
表1b:根据本发明的实施例的参数组合
[0179]
图7(a)和图7(b)分别示出根据本发明的实施例的与图6(a)和图6(b)相同的绘图，这些绘图由较小的矩形区域701、711、712、713、714覆盖，其中传感器设备的参考点r将位于这些区域中。下表明确列出了这些区域的参数组合。
[0180][0181]
[0182]
表2：图7(a)和图7(b)所示优选实施例的参数组合
[0183]
图8(a)和图8(b)示出根据本发明的实施例的图6(a)和图6(b)中的、针对汇流条宽度从6mm至10mm的绘图的子集，这些绘图由较小的矩形区域801、811、812、813覆盖，其中传感器设备的参考点r将位于这些区域中。
[0184]
下表明确列出了这些区域的参数组合。
[0185]
[0186][0187]
表3：图8(a)和图8(b)所示优选实施例的参数组合
[0188]
图9(a)和图9(b)示出图6(a)和图6(b)的、针对汇流条宽度从5mm至10mm的绘图，并且另外示出了若干示例性的“最佳点”的位置，在“最佳点”处衰减偏差为0％并且相移为0
°
。对于具有特定厚度t和特定宽度w的汇流条而言，这些“最佳点”可以在衰减偏差曲线和相移曲线的交点处找到。(例如，通过将图9(a)的图和图9(b)的图进行重叠)。点“ipw6t5”的标签代表“w＝6mm和t＝5mm的交点”，等等。
[0189]
然而，明确指出的是，为了获得良好的ac响应，不要求将传感器设备精确地定位在最佳位置。事实上，对于许多应用而言，
±
4％的衰减偏差和
±
4％的相移很可能是可以接受的。
[0190]
还示出了上部区域901，该区域具有由以下四个点通过直线相互连接而定义的梯形形状：(ds＝80％,zs＝4.0mm)、(ds＝110％,zs＝4.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)；
[0191]
以及该区域的截断型式，由以下五个点通过直线相互连接来定义：(ds＝80％,zs＝4.0mm)、(ds＝98％,zs＝4.0mm)、(ds＝98％,zs＝3.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0mm)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)；
[0192]
以及下部区域902，该区域具有由以下四个点通过直线相互连接而定义的梯形的形状：(ds＝70％,zs＝0.0mm)、(ds＝75％,zs＝2.0mm)、(ds＝85％,zs＝2.0mm)、(ds＝85％,zs＝0.0mm)。
[0193]
本发明也可以按照这些区域来表达，即通过说明根据本发明的原理，传感器设备的参考点“r”要位于这些形状中的任一种形状内；或位于图9(a)所示的最佳点的“附近区域”，例如，处于在x方向和/或z方向上偏离0％和0
°
位置最多
±
1.0mm的位置处；或处于在x方向和/或z方向上偏离0％和0
°
位置最多
±
0.75mm的位置处；或处于在x方向和/或z方向上
偏离0％和0
°
位置最多
±
0.5mm的位置处；或处于在x方向和/或z方向上偏离0％和0
°
位置最多
±
0.3mm的位置处。
[0194]
在本发明的某些实施例中，距离dx和参考点的位置被选择成使得两个传感器元件h1、h2都被定位在汇流条的“上方”。这可以作为附加的限制被添加到上述实施例中的全部实施例中。
[0195]
在本发明的某些实施例中，距离dx和参考点的位置被选择成使得一个传感器元件被定位在汇流条的“上方”，而另一个传感器元件被定位成“紧邻”汇流条。这可以作为附加的限制被添加到上述实施例中的全部实施例中。
[0196]“在汇流条上方”是指磁传感器元件的位置在z轴方向上的投影(参见图3(b)和图3(c))与汇流条相交。“紧邻汇流条”是指磁传感器元件的位置在z轴方向上的投影(参见图3(b)和图3(c))不与汇流条相交。
[0197]
可以借助于参数dx、w和ds轻松验证两个传感器是否位于汇流条的“上方”。下表中给出了几个示例(该列表并不详尽)：
[0198]
[0199][0200]
表5：用于指示两个传感器元件被定位在汇流条“上方”、或“紧邻”汇流条、或在汇流条的“边缘”的示例性参数组合，
[0201]
图10(a)至图10(e)示出各个汇流条的俯视图。图10(a)的汇流条是在y方向上延伸的笔直的汇流条。电流在y方向上流动。汇流条在与电流流动的方向基本上垂直的平面α上具有矩形的截面。如所指示，汇流条的宽度w在x方向上延伸。
[0202]
根据本发明，传感器设备被取向成使得两个传感器元件位于x轴上，该x轴与电流的方向相交。这允许传感器设备测量沿x方向的磁场梯度δbz/δx。如上所述，可以省略除以δx的除法。此外，传感器设备被定位成使得两个传感器元件之间的(假想)参考点“r”与汇流条的边缘之间的距离“ds”为汇流条宽度w的70％至110％范围内的值、或汇流条宽度w
的70％至95％范围内的值、或其子范围，如上所述，这取决于传感器设备的高度位置(zs)，也取决于期望的准确度。
[0203]
但本发明并不限于纯笔直汇流条，也可以应用于具有单个切口或多于一个切口的汇流条，这些切口可被应用于局部地增加电流密度。示出几个示例。图10(c)的汇流条具有单个切口。图10(b)、图10(d)和图10(e)的汇流条在汇流条的相对侧具有两个切口。注意，这些附图不一定按比例绘制。
[0204]
假设切口的长度lc是至少3.0mm长，而狭窄部分的宽度或有效宽度wp是至少5.0mm，上述相同的原理仍然适用，这意味着在“香蕉形区域中”存在其中δbz或dbz/dx基本上与频率无关的位置，但要考虑的不是汇流条的整体宽度w，而是“局部宽度”wp，并且要相对于汇流条变窄部分的“局部侧面”测量距离“ds”，如这些图中所指示。
[0205]
图10(f)和图10(g)示出了针对图10(b)的、具有6mm的有效宽度wp并且针对范围从3mm至8mm的切口的长度lc的汇流条的模拟结果。所示出的模拟是针对具有3mm的厚度t的汇流条，并且针对传感器元件之间的距离dx为1.8mm而执行的。可以看出，在这种情况下也出现了与上述区域类似的“香蕉形”区域。
[0206]
虽然没有示出，但也针对2mm的汇流条厚度t执行了模拟，得出非常相似的结果。
[0207]
图11(a)示出汇流条1101的部分的俯视图，并且图11(b)示出汇流条1101的部分的截面图，该汇流条在汇流条的相对侧上具有两个狭缝，形成用于电流的锯齿形通道。
[0208]
本发明以如上所述的方式对于该汇流条1101同样起作用，只要狭缝彼此之间间隔开足够远，并且足够深(在汇流条的横向方向x上)并且足够宽(在汇流条的纵向方向y上)。受益于本发明的技术人员可以通过反复试验或通过执行与上述的模拟类似的模拟，很容易地找到合适的狭缝。
[0209]
在传感器设备的位置附近，电流i在x方向上流动。汇流条在与电流方向垂直的截面α上具有矩形截面(参见图11(b))。该矩形截面定义了汇流条的厚度t和有效宽度wp。根据本发明的原理，通过使传感器设备取向成使得两个传感器元件位于按y方向取向的虚拟线上，并且使得位于两个传感器元件之间的中间的假想参考点r位于距汇流条侧面的距离“ds”处，可以以高准确性或改善的准确性测量流过汇流条的ac电流，其中“ds”是有效宽度wp的70％至110％范围内或有效宽度wp的70％至95％的范围内的值，或其子范围(取决于高度位置zs)。可以通过考虑到例如距汇流条的距离zs、厚度t、以及针对衰减偏差和相移的最大公差裕度来微调精确位置。
[0210]
图12(a)至图12(c)示出与图2(a)至图2(c)类似的模拟结果的模拟结果，但对于图11的汇流条而言，具有形成锯齿形的两个狭缝。
[0211]
图13示出可在电流传感器设备202中使用的电路1310的电学框图。该框图不包含温度传感器或应力传感器。
[0212]
处理单元1330适于通过根据公式i＝k.(v1
‑
v2)计算电流来确定要测量的电流，其中k是预定义常数(该预定义常数可以在设计期间、通过模拟、或在评估或校准阶段期间确定)，v1是由第一磁传感器1311提供的值(或例如在放大之后，从其导出的值)，v2是由第二磁传感器1321提供的值(或从其导出的值)。减法可以在放大之前或放大之后在硬件中完成，或者可以在数字域中执行。处理单元1330可以包括数字处理器，该数字处理器包括或连接到存储至少一个常数值k的非易失性存储器1331。
[0213]
虽然未明确示出，但处理电路1310可以包括差分放大器，该差分放大器被配置成用于确定并放大第一值v1与第二值v2之间的差，并用于在模拟域中放大该差。替代地，处理电路1310可以包括被配置成用于选择性地放大第一值v1和第二值v2的放大器。传感器设备可以进一步包括模数转换器adc，该模数转换器adc被配置成用于将这些经放大的信号进行数字化。该adc可以是数字处理器电路的部分。
[0214]
要测量的电流可以作为与电流成比例的模拟输出信号而被提供，或者可以例如经由数字数据接口(例如串行数据总线(例如使用i2c协议，或使用rs232协议，或任何其他合适的协议))作为指示要测量的电流的数字信号而被提供。
[0215]
图14示出处理电路1410的电学框图，该处理电路1410可被视为图13的处理电路1310的变体，进一步包括通信地连接到处理单元1430的第一温度传感器1412和/或第二温度传感器1422。处理单元1430适于基于值v1和v2来确定要测量的电流，但要考虑到温度信号t1、t2中的一者或两者。所测得的(多个)温度可以被考虑用来补偿测量值v1、v2的温度变化，例如用来补偿传感器元件的灵敏度变化。此类补偿技术本身在本领域中是已知的，因此在此不需要详细解释。
[0216]
在特定的实施例中，温度补偿是以与ep3109658a1中所述的类似方式执行的，该申请通过引用整体结合于此。
[0217]
电流传感器优点在于，包括温度补偿机制。以此方式，可以进一步改善电流测量的准确性。
[0218]
图13的处理单元1330和图14的处理单元1430可以包含数字处理器，例如可编程的微控制器。虽然没有明确示出，但电路1310和1410也可以包含至少一个模数转换器，该模数转换器可以是磁传感器的部分、或者可以是处理单元的部分、或者可以(例如，在传感器电路的输出端与处理单元的输入端之间)作为单独的电路实现。出于与没有示出在本领域中已知的并且因此不需要在此详细描述的偏置电路、读出电路、可选的放大器、电源等相同的原因，图13和图14的框图未示出该细节级别。
[0219]
在该方面要注意的是，如果信号v1、v2、t1和t2是模拟信号，处理单元1430可以包含用于将这些信号转换成数字信号的至少一个adc，而在信号v1、v2、t1和t2是数字信号的情况下，处理单元1430不需要具有adc。
[0220]
具有两个温度传感器的实施例的优点在于，每个磁传感器都有一个温度传感器，因为第一磁传感器和第二磁传感器的温度可能是显著不同的，特别是在汇流条的附近区域中测量相对较高的电流时，因为此类高电流通常会使汇流条显著地升温，从而导致传感器设备的衬底上的温度梯度相对较大。以此方式，可以进一步改善电流测量的准确性。
[0221]
在图14的变体(未示出)中，电路包括仅一个温度传感器，该温度传感器可被布置成用于测量第一磁传感器的温度，或用于测量第二磁传感器的温度。然后可以基于估计的功耗(进而基于v1和v2)并基于环境温度的预定义假设来估计另一个磁传感器的温度，而不是实际测量另一个温度。当然，具有两个温度传感器的实施例更准确。
[0222]
在图14的变体(未示出)中，电路包括一个或两个应力传感器而不是一个或两个温度传感器，并且处理单元1430适于基于从磁传感器获得的值并考虑从一个或两个应力传感器获得的(多个)应力值来确定电流。
[0223]
在图14的另一变体(未示出)中，电路除了一个或两个温度传感器之外附加地包括
一个或两个应力传感器，并且处理单元1430适于基于从磁传感器以及一个或多个温度传感器和一个或多个应力传感器获得的值来确定电流。
[0224]
在实施例中，每个磁传感器元件h1、h2具有相关联的温度传感器和相关联的机械应力传感器，并且处理电路被配置成用于测量两个磁信号、并且用于测量两个温度、并且用于测量两个机械应力值，并被配置成用于确定δbz＝bz1
‑
bz2、并且用于将该值δbz乘以预定义的常数因子k(与频率无关)、并且用于例如以ep3109658(a1)中所述的方式，例如使用温度和/或应力的多项式表达对温度和/或机械应力的结果进行补偿，该申请(ep3109658(a1))通过引用整体结合于此。
[0225]
在另一实施例中，传感器设备包括：半导体衬底，该半导体衬底包括第一磁传感器元件h1和第二磁传感器元件h2；第一和第二偏置装置(例如第一电流源和第二电流源)，该第一和第二偏置装置用于对第一和第二磁传感器元件进行偏置，第一和第二磁传感器元件中的一者或两者可以是可调节的或可配置的；第一和第二放大器，该第一和第二放大器用于对由第一和第二磁传感器元件提供的信号进行放大(这些放大器中的一者或两者可具有可配置的或可调节的增益)；模数转换器(adc)，该模数转换器(adc)用于将第一和第二传感器信号或从其导出的信号进行数字化；以及处理电路，该处理电路具有连接至adc的输出端的输入端。该传感器设备进一步包括以下各项中的至少一项：(i)温度传感器(例如单个温度传感器)，该温度传感器用于测量半导体衬底的温度，以及(ii)两个机械应力传感器，或差分应力传感器，该差分应力传感器用于测量施加在第一和第二磁传感器上的差分应力。硬件框图的各个示例在于2020年3月23日提交的共同未决专利申请ep20165059.5的图3(a)至图5(f)以及由同一申请人于2021年3月7日提交的共同未决专利申请ep21161150.4中示出，这两份申请通过引用整体结合于此。通过将ep20165059.5或ep21161150.4中描述的硬件和偏置或校正方法与传感器设备相对于汇流条在如上述“最佳区域”或“区域”中的一者中的定位相结合，提供了一种用于测量ac电流的、具有较高的准确性并具有降低的杂散场影响的电流传感器系统。