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系统的领域，并且更具体地涉及磁电流传感器。更具体地，本发明涉及能够准确测量具有高达约2khz的频率的ac电流的电流传感器系统。


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)使用分流电阻器的电流传感器、(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.在使用分流电阻器的电流传感器中，在分流电阻器上测量电压，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.存在用于驱动和/或控制和/或监测电动机的各种电路。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.以高准确度测量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用于测量ac电流(例如流过汇流条的ac电流)的电流传感器系统。
10.本发明的实施例的目的在于提供一种用于以改善的准确度测量ac电流的电流传感器系统。
11.本发明的实施例的目的在于提供一种用于以改善的准确度测量具有高达2khz的频率的ac电流的电流传感器系统。
12.本发明的实施例的目的在于提供一种用于以改善的准确度测量具有高达2khz的频率的ac电流的瞬时幅度或瞬间幅度的电流传感器系统。
13.本发明的实施例的目的在于提供一种用于以改善的准确度以简单的方式测量ac电流的电流传感器系统，例如，不需要执行频谱分析(例如，傅里叶分析)和/或不需要在时
域中分析电流波形(例如，正弦、正方形、三角形)。
14.本发明的实施例的目的在于提供一种电流传感器系统，该电流传感器系统能够以在 /-5％内的绝对准确度、或在 /-4％内的绝对准确度、或在 /-3％内的绝对准确度、或在 /-2％内的绝对准确度、或在 /-1％内的绝对准确度来测量ac电流，该ac电流具有在约100hz至约2000hz范围内的一个或多个频率(或频谱分量)。
15.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。
16.根据第一方面，本发明提供了一种用于测量具有在预定义的频率范围中的频率的ac电流的电流传感器系统，所述系统包括：电导体，该电导体被配置成用于传导所述ac电流，从而创建第一磁场；磁传感器设备，该磁传感器设备被配置成用于测量磁场分量或磁场差；电流传感器系统进一步包括布置在所述电导体附近的金属板或导电表面，以用于允许涡流在所述表面中流动，从而创建与第一磁场叠加的第二磁场；其中磁传感器设备被配置成用于将ac电流的大小确定为与所述测量的磁场分量或所述磁场梯度成比例的信号或值。
17.该电流传感器系统的一个优点是它允许以快速且简单的方式对ac电流的准确测量，该ac电流可具有高达约2khz的频率，而不需要繁重的处理、不需要执行频谱分析技术(例如，傅里叶分析)。
18.发明人发现，通过添加导电表面(例如，金属板或印刷电路板(pcb)的铜层等)，可以以改善的准确度测量ac电流。发明人惊讶地发现，由涡流引入的磁场可以提高准确度，这是完全超乎预期的，并且是高度反直觉的，因为熟知且普遍接受/相信的是涡流对测量结果产生负面影响，而不是改善测量结果。
19.与测量峰值电流、随后将该峰值电流例如乘以1.41(2的平方根)的系统相比，本发明的一个优点在于，通过测量的磁场梯度或磁场分量的相乘来确定ac电流，因为将峰值电流乘以1.41的系统仅在ac电流的波形是完美的正弦信号时才是准确的。本发明的一个优点在于，测量结果对于任何ac波形(例如，正弦、正方形、三角形等)都是准确的。
20.在示例中，传感器设备具有位于第一传感器位置处的第一磁传感器，并且具有位于第二传感器位置处的第二磁传感器，并且第二磁场(即，由涡流引起的场)在第一传感器位置处具有与第一磁场(即，由在电导体(例如，汇流条)中流动的电流引起的场)相同的方向，并且第二磁场在第二传感器位置处具有与第一磁场相反的方向。
21.导电表面可以与所述电导体和所述磁传感器设备电流分离。
22.导电表面可以是基本上平面的，或者可以具有平面的部分。例如，物体可以是导电板，例如，铜板或铝板。
23.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于确定处于至少5.0khz、或至少8khz、或至少10khz的频率的ac电流的幅度。
24.优选地，电流传感器系统是无芯传感器系统。
25.在实施例中，传感器设备被布置在第一磁场与第二磁场的叠加在包括从100hz到2khz的范围的频率范围中具有基本上恒定大小的位置处。
26.其中“基本上恒定”意味着在预定义的容差裕度内，例如小于 /-4％、或小于 /-3％、或小于 /-2％。
27.将传感器设备定位在所述叠加在所述频率范围中具有基本上恒定大小的效果是，传感器设备所看到的总磁场将在频率上基本上恒定，进而将所确定的ac电流与实际的ac电
流之间的误差最小化。
28.在大部分实施例中，大小和尺寸都不是关键的，只要它们与电导体的尺寸相比“足够大”。例如，金属板或导电表面的大小可以是矩形，尽管这不是绝对必需的，并且金属板或导电表面的长度和宽度与汇流条的宽度在同一数量级就足够了。
29.在实施例中，ac电流的功率的至少90％、或至少95％、或至少96％、或至少97％、或至少98％、或至少99％在低于2000hz。
30.在实施例中，磁传感器设备是集成半导体设备(也被称为“芯片”)，并且电导体被布置在所述集成半导体设备的外部。
31.在实施例中，导电表面是金属片或金属层。
32.换言之，在该实施例中电流系统包括：电导体、磁传感器设备、以及金属板或金属片，所述金属板或金属片例如由铜或铜合金制成、例如由铝或铝合金制成。
33.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于在第一传感器位置处测量第一磁场分量，并且用于在与第一传感器位置间隔开的第二传感器位置处测量第二磁场分量(与第一磁场分量平行)，并且用于基于所述第一磁场分量与所述第二磁场分量之间的差来确定磁场差或磁场梯度；以及用于根据公式：i＝k*(δbz)来确定ac电流的所述大小，其中i是要测量的ac电流的大小，k是与频率无关的预定义的常量，以及δbz是磁场差或磁场梯度。
34.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于在第一传感器位置处测量第一磁场分量，并且用于根据公式：i＝k*(bz)来确定ac电流的所述大小，其中i是要测量的ac电流的大小，k是与频率无关的预定义的常量，以及bz是所测量的第一磁场分量。
35.在该实施例中，磁传感器设备被配置成用于将ac电流确定为与磁场分量值成比例的值。
36.在实施例中，该电流传感器系统进一步包括屏蔽件。
37.在实施例中，传感器设备和电导体以及金属板(或导电表面或层)相对于彼此布置成，使得通过上述公式中的一者获得的电流值对于具有预定义的幅度和100hz的频率的第一正弦电流和具有相同预定义的幅度和2000hz的频率的第二正弦电流，在预定义的 /-4％或 /-3％或 /-2％或 /-1％的容差裕度内提供基本上相同的结果。
38.在实施例中，电导体包括第一束状导体部分和第二束状导体部分，两者都在纵向方向上延伸，并且彼此间隔开以在它们之间形成间隙；并且其中金属板或导电表面被布置成平行于电导体，并且与电导体相距预定义的距离，以在它们之间形成间隙或狭缝；并且其中磁传感器设备被布置在所述间隙或狭缝内。
39.该间隙例如在图1(d)和图1(f)中由虚线区域示出。
40.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于测量所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，两者都在电导体的高度方向上定向；并且第一传感器位置和第二传感器位置在横向方向上间隔开。
41.电流传感器设备可具有平行于所述表面定向的半导体衬底，并且可包括两个水平霍尔板，这两个水平霍尔板间隔开距离dx，距离dx在1.0mm至2.5mm、或1.5mm至2.5mm、或1.5mm至2.2mm的范围内，例如，等于约1.9mm。电流传感器设备可被布置成使得其半导体衬底位于束状导体部分的厚度的基本上中间位置(例如，在tc/2处)的高度位置(在z方向上)处。
42.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于测量所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，两者都在电导体的横向方向上定向；并且第一传感器位置和第二传感器位置在电导体的高度方向上间隔开。
43.在实施例中，磁传感器设备具有半导体衬底，并且被布置成使得其半导体衬底垂直于金属板或导电表面定向，并且基本上位于两个束状导体部分之间的中间。
44.磁传感器设备可包括两个水平霍尔板，这两个水平霍尔板间隔开一定距离(dz)，该距离在1.0mm至2.5mm、或1.5mm至2.5mm、或1.5mm至2.2mm的范围内，例如，等于约1.9mm。
45.在实施例中，电导体具有在第一方向上延伸的细长形状，并且具有在与第一方向垂直的横向方向上延伸的宽度；并且电导体包括第一切口和第二切口，第一切口从电导体的第一侧延伸超过横向宽度的至少一半，第二切口从电导体的第二侧延伸超过横向宽度的至少一半，第一切口与第二切口限定它们之间的横向通道区；并且金属板或导电表面具有位于所述横向通道区附近的开口或非导电区域；并且金属板或导电表面位于与电导体相距第一距离处；并且磁传感器设备被布置在所述开口或所述非导电区域附近、在与所述电导体相距小于、或大于、或基本上等于第一距离(g)的第二距离处。
46.换言之，设想了三种情况。在第一种情况中，如图4(c)所示，传感器设备位于电导体(例如，汇流条)与导电表面(例如，金属板)“之间”。在第二种情况中，如图4(d)所示，金属板或导电表面位于电导体(例如，汇流条)与传感器设备之间的平面中，或者换言之，传感器设备位于金属板“上方”。在第三种情况中，如图4(e)所示，传感器设备基本上位于与金属板或导电表面相同的(虚拟)平面中。
47.开口可以是穿过金属板的通孔。
48.开口或非导电区域可以具有正方形或矩形形状。开口的长度和宽度可以在霍尔元件之间的距离dx的约50％至约150％、或约90％至约150％、或约100％至约150％的范围内。例如，如果dx＝2.0mm，则开口的长度可为约2.0mm至3.0mm，并且宽度可为约2.0mm至约3.0mm。
49.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于测量所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，两者都在电导体的高度方向(或“厚度方向”)上定向；并且第一传感器位置和第二传感器位置在电导体的纵向方向上间隔开。
50.磁传感器设备可具有半导体衬底，该半导体衬底与面向导电表面的电导体的上表面平行地定向，并且优选地位于两个切口之间的横向通道区“上方”。
51.磁传感器设备可包括两个水平霍尔板，这两个水平霍尔板间隔开一定距离，该距离在1.0mm至2.5mm、或1.5mm至2.5mm、或1.5mm至2.2mm的范围内，例如，等于约1.9mm。磁传感器可被配置成用于测量沿电导体的纵向方向(y)在垂直于半导体衬底的方向(z)上定向的磁场梯度(dbz/dy)。
52.在实施例中，电流传感器设备包括安装在印刷电路板上的两个传感器设备，第一传感器设备被配置成用于确定第一电流，第二传感器设备被配置成用于确定第二电流。pcb可被定向为基本上平行于金属板或导电表面，或者垂直于金属板或导电表面。传感器设备可各自包括两个水平霍尔元件，被配置成用于确定在z方向上定向的、沿y方向的磁场梯度dbz/dy，如图4(e)所示。传感器设备可各自包括两个垂直霍尔元件，被配置成用于确定在z方向上定向的、沿y方向的磁场梯度dbz/dy，如图4(h)所示。此类实施例提供冗余，并且尤其
适用于功能安全性应用。
53.在实施例中，电导体具有在第一方向上延伸的细长形状，以及在与第一方向垂直的横向方向上延伸的宽度；并且电导体包括第一切口和第二切口，第一切口从电导体的第一侧延伸超过横向宽度的至少一半，第二切口从电导体的第二侧延伸超过横向宽度的至少一半，第一切口与第二切口限定它们之间的横向通道区；并且金属板或导电表面平行于电导体并且位于垂直于第一方向定向的假想平面的仅一侧上并且位于第一切口与第二切口之间的中间；并且金属板或导电表面位于与电导体相距第一距离处；并且磁传感器设备被布置在所述横向通道区附近、在与所述电导体相距小于、或大于、或基本上等于第一距离(g)的第二距离处。
54.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于在第一传感器位置处测量所述第一磁场分量，并且在第二传感器位置处测量所述第二磁场分量，两者都在电导体的高度方向上定向；并且第一传感器位置和第二传感器位置在纵向方向上间隔开。
55.磁传感器设备可具有半导体衬底，该半导体衬底与面向导电表面的电导体的上表面平行地定向，并且优选地位于两个切口之间的横向通道区“上方”。
56.磁传感器设备可包括两个水平霍尔板，这两个水平霍尔板间隔开一定距离，该距离在1.0mm至2.5mm、或1.5mm至2.5mm、或1.5mm至2.2mm的范围内，例如，等于约1.9mm。磁传感器可被配置成用于测量沿电导体的纵向方向(y)在例如垂直于金属板的高度方向(z)上定向的磁场梯度(dbz/dy)。
57.在实施例中，磁传感器元件中的至少一个磁传感器元件或两个磁传感器元件在包含金属板或导电表面的虚拟平面上的正交投影位于金属板(或导电表面)的外部。或者换言之，在该实施例中，穿过磁传感器元件并且与金属板(导电表面)正交的一条或两条假想线不与金属板(或导电表面)相交。
58.在实施例中，电导体具有在第一方向上延伸的细长形状，并且具有在与第一方向垂直的横向方向上延伸的宽度；并且电流传感器系统进一步包括磁屏蔽件，该磁屏蔽件完全围绕电导体的一部分或在电导体的一部分之上形成桥；并且金属板或导电表面平行于电导体定向，并且位于与电导体相距第一距离处，从而限定它们之间的间隙；并且磁传感器设备被布置在所述电导体部分与导电表面之间的间隙中。
59.电导体可具有束状形状，具有矩形横截面。
60.金属板或导电表面可以是屏蔽件的部分，或者可以邻接屏蔽件。屏蔽件可以是u形或v形或ω形，例如如图8(a)所示。
61.屏蔽件可以与导电表面电流分离，或者可以与导电表面电流接触。
62.在实施例中，磁传感器设备被配置成用于测量在电导体的横向方向上定向的磁场分量。
63.磁传感器设备可具有垂直霍尔元件，或者盘形集成磁聚集器(imc)，该imc具有布置在imc的外围处的两个水平霍尔元件。
64.在实施例中，导电表面包括一个或多个导电层，例如印刷电路板的一个或多个铜层，并且以下各项中的至少一项是有效的：
65.(i)导电表面的厚度是在约30μm至约220μm的范围内的值(例如，等于约35μm、或等于约105μm、或等于约200μm)；和/或
66.(ii)导电表面与磁敏元件之间的距离可以是在0.2mm至5.0mm或0.2mm至3.0mm的范围内的值；和/或
67.(iii)导电表面的尺寸(例如，矩形形状的长度和宽度)可以是在wc*(50％至500％)范围内、或在wc*(50％至300％)范围内的值，其中wc是电导体的宽度(例如，汇流条宽度)。
68.在实施例中，导电表面是(例如，实心)金属板的一部分，并且以下各项中的至少一项是有效的：
69.(i)导电表面的厚度可以是在约0.5mm至10mm或0.5mm至5.0mm的范围内的值；和/或
70.(ii)导电表面与磁敏元件之间的距离可以是在0.5mm至10cm或0.5mm至5.0cm的范围内的值；和/或
71.(iii)导电表面的尺寸(例如，矩形形状的长度和宽度)可以是在wc*(50％至500％)范围内、或在wc*(50％至300％)范围内的值，其中wc是电导体的宽度(例如，汇流条宽度)。
72.根据另一方面，本发明还涉及一种用于测量具有在预定义的频率范围中的频率的三相ac电流的三相电流传感器系统，所述系统包括：第一电导体和第一磁传感器设备，第一电导体被配置成用于传导第一ac电流，从而创建第一磁场，第一磁传感器设备被配置成用于测量第一磁场的第一磁场分量或第一磁场差；第二电导体和第二磁传感器设备，第二电导体被配置成用于传导第二ac电流，从而创建第二磁场，第二磁传感器设备被配置成用于测量第二磁场的第二磁场分量或第二磁场差；第三电导体和第三磁传感器设备，第三电导体被配置成用于传导第三ac电流，从而创建第三磁场，第三磁传感器设备被配置成用于测量第三磁场的第三磁场分量或第三磁场差；其中电流传感器系统进一步包括布置在所述第一电导体附近的第一金属板或第一导电表面，以用于允许涡流在所述第一板或所述第一表面中流动，从而创建第四磁场，该第四磁场与第一磁场叠加；
73.并且进一步包括布置在所述第二电导体附近的第二金属板或第二导电表面，以用于允许涡流在所述第二板或所述第二表面中流动，从而创建第五磁场，该第五磁场与第二磁场叠加；并且进一步包括布置在所述第三电导体附近的第三金属板或第三导电表面，以用于允许涡流在所述第三板或所述第三表面中流动，从而创建第六磁场，该第六磁场与第三磁场叠加；并且其中第一磁传感器设备被配置成用于将第一ac电流的大小确定为与所述测量的第一磁场分量或所述第一磁场梯度成比例的信号或值；并且其中第二磁传感器设备被配置成用于将第二ac电流的大小确定为与所述测量的第二磁场分量或所述第二磁场梯度成比例的信号或值；并且其中第三磁传感器设备被配置成用于将第三ac电流的大小确定为与所述测量的第三磁场分量或所述第三磁场梯度成比例的信号或值。
74.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。
75.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
76.图1(a)至图1(d)示出了根据本发明的电流传感器系统的第一实施例，其中电流传感器系统包括两个电导体部分，该两个电导体部分彼此间隔开以在它们之间形成间隙，并且其中磁传感器设备基本上布置在所述间隙内，并且其中金属板布置在电导体附近。图1(b)示出了电导体的俯视图，图1(a)示出了传感器系统在图1(b)的平面a-a中的截面图，图1(c)示出了透视图，并且图1(d)示出了正视图。
77.图1(e)至图1(f)示出了根据本发明的另一实施例的在图1(a)至图1(d)中示出的系统的变体。
78.图2(a)示出了在不存在金属板的情况下，如可由图1(a)至图1(d)的传感器设备的传感器元件测量的，针对不同频率、在沿x轴上不同位置处的由正弦ac电流感应出的磁场的磁场分量bx的复数表示的幅度和相位的模拟结果。
79.图2(b)示出了在存在金属板的情况下的模拟结果。
80.图3(a)示出了在没有金属板的情况下，由图1(a)至图1(d)的传感器元件测量的信号将如何作为频率的函数而衰减和相移。
81.图3(b)示出了在存在金属板的情况下，由图1(a)至图1(d)的传感器元件测量的信号将如何作为频率的函数而衰减和相移。如图可见，差分信号或梯度信号具有基本上恒定的幅度并且相移基本上等于零，而与ac电流的频率无关(至少对于从约100hz至约2000hz的频率)。
82.图4(a)至图4(h)示出了根据本发明的电流传感器系统的第二实施例及其变体，其中电流传感器系统包括细长电导体(例如，汇流条)，该细长电导体具有两个横向切口，该两个横向切口在汇流条的整体纵向方向上彼此间隔开，以便形成具有横向通道区的之字形，并且进一步包括布置在所述通道区附近的磁传感器设备，以及也布置在通道区附近的具有开口的金属板。
83.图5(a)示出了在不存在金属板的情况下，如可由图4的传感器设备的传感器元件测量的，针对不同频率、在纵向y轴上的不同位置处的由正弦ac电流感应出的磁场的磁场分量bz的复数表示的实部和虚部的模拟结果。
84.图5(b)示出了在存在金属板的情况下的模拟结果。
85.图6(a)至图6(g)示出了根据本发明的电流传感器系统的第三实施例，其中电流传感器系统包括细长电导体(例如，汇流条)，该细长电导体具有两个横向切口，该两个横向切口在纵向方向上彼此间隔开，以便形成具有横向通道区的之字形，以及布置在所述通道区附近的磁传感器设备，以及不对称地布置在通道区附近的具有边缘的金属板。图6(b)示出了电导体的俯视图；图6(a)示出了图6(b)按照a-a的横截面；图6(c)示出了示例性金属板的俯视图；图6(d)示出了图6(a)至图6(c)的电流传感器系统的示例的俯视图，并且示出了在这样的板中流动的涡流的示例；图6(e)至图6(g)示出了图6的电流传感器系统的示例的透视图。
86.图7示出了图6的电流传感器系统的模拟结果。
87.图7(a)示出了对于各种ac电流频率的作为沿着汇流条的纵轴的位置的函数的磁场分量信号bz的实部。
88.图7(b)示出了磁场分量信号bz的虚部。
89.图8(a)至图8(c)示出了根据本发明的电流传感器系统的第四实施例，其中电流传感器系统包括具有u形屏蔽件的细长电导体(例如，汇流条)、和金属板、以及布置在由金属板和屏蔽件限定的空间内的磁传感器设备。图8(a)示出了电流传感器系统的横截面，图8(b)示出了在没有磁屏蔽件的情况下的系统的透视图。图8(c)是如可在图8(b)的系统中使用的具有垂直霍尔传感器的磁传感器设备的示意性表示。
90.图9示出了可在本发明的实施例中使用的电路的示例性框图。
91.图10示出了可在本发明的实施例中使用的电路的示例性框图。
92.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
93.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。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明实践的实际缩减。
94.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图示的不同的顺序来进行操作。
95.此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等是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。
96.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、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、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部件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部件是a和b。
97.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，但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。
98.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现方式中，其中每一项权利要求本身代表本发
明的单独实施例。
99.此外，如将由本领域技术人员所理解，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而不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施例均可以以任何组合来使用。
100.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践本发明的实施例。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。
101.在本文档中，表述“电流传感器系统”或“电流传感器布置”的含义相同。它们是指一种系统或布置，该系统或布置包括用于传导电流的电导体(例如，汇流条)、和用于测量该电流的电流传感器设备、以及导电表面(例如印刷电路板的金属板或金属层)。
102.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。
103.在本文档中，术语“磁场梯度”dbz/dy指的是磁场分量bz沿y方向的空间梯度。在实践中，除以dy通常被省略。
104.在本文档中，术语“磁场差”δbz用于指示平行取向的两个磁场分量之间的差。
105.在本文档中，术语“磁场梯度”和“磁场差”可以可互换地使用，除非另有明确提及或从上下文中另有清楚说明。
106.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动机的一个或多个电流)。此类电动机可以使用相对大的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电流。本发明特别关注准确地测量此类ac电流。
107.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。
108.本发明的发明人的任务是提供一种传感器系统，该传感器系统能够以改善的ac准确度测量流过电导体(例如，汇流条)的ac电流。汇流条可以是包括两个平行导体部分的汇流条，该两个平行导体部分具有在其间的间隙(或狭缝)，如图1(b)所示，或者汇流条可以是具有由两个横向切口形成的之字形(zig-zag)的汇流条，如图4(f)或图6(b)所示。例如，该ac电流可以是具有从例如100hz到例如2000hz的任何频率的正弦电流。
109.尝试测量具有相对较高频率(例如高于50hz或60hz)的电流时出现的一个特定问题是会发生被称为“趋肤效应”的现象，该现象使电流密度在电导体外周附近增加并且使电流密度在电导体中心附近降低。发明人已经发现，这不仅会改变汇流条的有效电阻，还会改变电导体周围的磁场。然而，据发明人所知，趋肤效应改变导体周围磁场的方式无法被容易地描述。随着ac电流的频率朝2000hz的频率增加，该效应变得越来越明显，并且在不进行任何校正的情况下将ac电流确定为与所测量的磁场分量或所测量的磁场梯度成比例的值将导致误差，该误差通常在约10％的量级。
110.因为误差(并且因此还有校正)是频率相关的，所以逻辑的方法将是分析要测量的ac信号的频率组成(frequency content)，并相应地校正测得的值。但是执行频率分析(例如，通过傅里叶变换的方式)具有几个缺点，诸如需要可观的处理能力、必须使用通常具有
至少16个或32个样本的采样窗口，由此引起延迟等等，这是不利的，尤其是在电机控制中。发明人想要找到另一种解决方案，并且开始实验。
111.简而言之，他们想到尝试通过在系统附近增加金属板来改善测量结果的准确度。尽管他们预计这实际上将使测量结果更差，但是他们惊讶地发现，通过增加金属板，有可能改善测量结果的准确度。
112.该结果是高度反直觉的。事实上，尽管已知如果金属板足够靠近电导体，则由流经该电导体(例如汇流条)的ac电流生成的磁场将使涡流在该金属板中流动，并且这些涡流通常将生成抵消原始磁场的第二磁场，但此类涡流的路径和强度未被很好地定义，并且甚至更糟的是，由这些涡流生成的磁场未被很好地定义。然而，发明人惊讶地发现，这些涡流实际上可以改善ac测量准确度，这意味着在这些电流传感器系统中，涡流可以减少(例如，大量减少)或甚至几乎完全补偿趋肤效应的负面影响。就发明人所知，“趋肤效应”和“涡流”两者通常都被认为是“不想要的影响”或“干扰影响”，而不是“帮助性影响”，并且并不知道其中这两者中的一者可以减少另一者的负面影响的系统。然而，这正是本发明所利用的。这是本发明的基本思想中的一个思想。
113.或者稍微换言之，本发明提供了用于测量具有在预定义的频率范围(例如从dc到高达2000hz，或从100hz到2000hz)中的频率的ac电流的电流传感器系统。或者换言之，本发明提供了用于测量具有频谱的ac电流的电流传感器系统，该频谱具有包括信号功率的显著部分(例如，总功率的至少1％、或至少2％、或至少3％、或至少4％、或至少5％、或至少8％、或至少10％、或至少15％、或至少20％、或至少25％、或至少30％、或至少40％)的频谱峰值或频谱分量，该信号功率位于约100hz至约2000hz的范围内。
114.该系统包括：电导体(例如，汇流条)，用于传导所述ac电流，从而创建第一磁场。系统进一步包括磁传感器设备，该磁传感器设备被配置成用于测量磁场的至少一个特性，例如，磁场分量、或磁场差、或磁场梯度。电流传感器系统进一步包括具有导电表面的物体(例如，印刷电路板(pcb)或金属板，例如铜板或铝板)，该物体被布置在所述电导体(例如，汇流条)附近以用于允许涡流在所述表面中流动，由此创建与第一磁场叠加的第二磁场。磁传感器设备进一步配置成用于将大小(例如，ac电流的瞬时大小)确定为与所测量的磁场分量成比例或与磁场梯度成比例的信号或值。
115.该电流传感器系统的一个优点是它允许以快速且简单的方式对ac电流进行准确测量，该ac电流可具有高达约2khz的一个或多个频率，而不需要繁重的处理、不需要执行频谱分析技术(例如，傅里叶分析)。
116.发明人发现，通过在汇流条附近添加导电表面，可以以改善的准确度测量ac电流。发明人惊讶地发现，由涡流感应出的磁场可以改善准确度，这是完全超乎预期的，因为熟知且普遍接受/相信的是涡流对测量结果产生负面影响，而不是改善测量结果。
117.本发明的优点是可以确定ac电流的瞬时值，而不需要知道波形的频谱或波形在时域中的形状(例如，正弦波、方波或块波、三角形或锯齿形等)。
118.虽然该物体可以是实心金属片，例如，实心金属板(例如，厚度在1mm至5mm、或1mm至50mm的范围内)，或者可以例如包括印刷电路板(pcb)的一个铜层，该铜层的典型厚度在30μm至40μm的范围内，或者可以包括多个三个(或两个或四个或多于四个)层的印刷电路板(pcb)，每个层的厚度在30μm至40μm的范围内，由此形成约3
×
35μm＝约105μm的总厚度，或
者具有导电层或导电涂层的其他物体，但是为了便于描述，将假设该物体是金属板来描述本发明，但本发明不限于此。
119.导电表面优选地与电导体和所述磁传感器设备(例如，与其供电电压或接地电压)电流分离。
120.导电表面可以是基本上平面的，或者可以具有基本上平面的部分。在一些实施例中，导电表面可具有非导电部分，或者金属板可具有开口，如将进一步描述的。
121.现在参考附图。
122.图1(a)至图1(d)示出了根据本发明的电流传感器系统100的第一实施例，包括电导体101、磁传感器设备102和金属板103。电导体101包括两个电导体部分101a、101b，两个电导体部分101a、101b彼此间隔开以在其间形成间隙104(或开口或通孔或狭缝)。磁传感器设备102基本上布置在所述间隙或开口内。金属板103被布置在电导体部分101a、101b附近，例如，与汇流条相距约1mm至约10cm、或相距约3mm至约3cm。在图1(b)的示例中，第一导体部分101a的横截面与第二导体部分101b的横截面同样大，因此每个导体部分将引导通过电导体101的总电流i的50％，但是本发明不限于此，并且还可以使用另一横截面比率，例如在约20％至约80％、或约30％至约70％、或约40％至约60％的范围内的比率。电流传感器设备未在图1(a)中示出，但参见例如图1(c)或图1(d)。
123.图1(b)示出电导体101的一部分的俯视图。传感器设备和金属板未在图1(b)中示出，但参见例如图1(c)和图1(d)。
124.图1(a)示出了在图1(b)的平面a-a中的传感器系统的截面图。在该示例中，两个导体部分都具有矩形横截面，但本发明不限于此并且还可使用其他横截面(例如，圆形)。图1(a)还在两个导体部分之间的间隙104内的各个位置处示出了场线和磁场向量(黑色箭头)。如上所述，当ac电流流经电导体部分101a、101b时，将由所述电流创建时变磁场，并且涡流将在金属板中流动，这将创建第二磁场，但是如上文提及的，由此创建的涡流或磁场的实际路径或大小未被精确地知晓，而且也不容易以数学形式描述。将(例如，在图2和图3中)进一步讨论这些涡流可以如何改善测量结果的准确度，但是首先将描述系统的各种元件的物理布置。
125.图1(c)示出了电流传感器系统100的透视图，其中金属板被表示为半透明的矩形。还示出了处于布置在两个导体部分101a、101b之间的封装集成电路102的形式的磁传感器设备。图1(c)所示的磁传感器设备102包括半导体衬底，该半导体衬底具有在电导体101的横向方向x上间隔开预定义距离dx的两个水平霍尔元件(由黑色正方形指示)(事实上，如在图1(b)中可见的，电导体在垂直于x方向的y方向上延伸)。
126.图1(d)示出了电流传感器系统100的正视图。金属板可被布置在与汇流条的顶部相距至少0.5mm或至少1.0mm的距离“g”处。优选地，距离g小于10cm或小于5cm。
127.磁传感器设备102可被配置成用于使用第一水平霍尔元件h1测量在z方向上定向的第一磁场分量bz1，并且用于使用第二水平霍尔元件h2测量第二磁场分量bz2，第二水平霍尔元件h2与第一水平霍尔元件h1间隔开横向距离dx，并且传感器设备102可被配置成用于例如根据公式：δbz＝bz1-bz2来确定这两个值之间的差δbz，并且可进一步配置成用于根据以下公式来确定ac电流的大小：i＝k*(bz1-bz2)，其中k是预定常量，与ac电流的波形无关且与ac电流的频谱无关。可以用已知方式来确定k值，例如通过模拟、或通过校准、或通
过其他合适的方式，并且可以将k值存储在电流传感器设备的非易失性存储器931、1031中。
128.令人惊讶的效果不存在于公式本身，也不在于梯度测量结果，而在于尽管有趋肤效应，归功于金属板103的存在而通过该公式实现的准确度，甚至对于高达2000hz的频率也是如此。为了理解该改进，注意到在没有金属板的情况下，ac电流测量结果的误差可能为约10％。受益于本发明，该误差可被减小到约 /-5％、或在 /-4％内、或在 /-3％内、或在 /-2％内，如将在图2和图3中展示的。
129.优选地，磁传感器元件h1、h2在高度方向(z)上位于电导体部分101a、101b的顶表面与底表面之间的大致中间，尽管这不是绝对必需的。并且优选地，两个传感器元件h1、h2在x方向上对称地位于两个电导体部分101a、101b之间，尽管这也不是绝对必需的(如在讨论图2(b)时将变得清楚的)。
130.还发现电流传感器系统100的尺寸(例如金属板103的长度lp和宽度wp)对于得到改善不是关键的，电流传感器设备102的准确位置也是如此。也就是说，测量结果的准确度可以主要根据金属板103与汇流条101之间的距离“g”和/或根据导电表面的厚度tp或电导率而变化。作为经验法则，可以理解，ac电流测量结果的准确度随着金属板103与电导体部分101a、101b之间的距离“g”减小而增加，并且随着金属板的厚度tp增加而增加。
131.作为示例，电导体(例如，汇流条)101可以例如总宽度wc为约3mm至约15mm，并且厚度tc可以为约2.0mm至约5.0mm。金属板103的厚度tp可以是在约0.5mm至10mm或0.5mm至5.0mm的范围内的值。导电表面103与磁敏元件h1、h2之间的距离可以是在0.5mm至10cm或0.5mm至5cm的范围内的值。板103的长度lp和宽度wp优选地为至少wc*50％、或至少75％*wc、或至少wc，但也可以使用更大的值，例如wc*50％至wc*200％。在图1(c)和图1(d)的示例中，金属板103基本上是正方形的，并且lp＝wp＝导体宽度wc的大约125％。长度lp可以等于宽度wp，但这不是必需的。
132.在图1(c)的电流传感器系统100的变体(未示出)中，磁传感器设备102围绕x轴旋转90
°
，使得磁传感器设备的半导体衬底与金属板103垂直并且与电导体101的纵向方向y垂直，并且传感器设备包括例如两个垂直霍尔元件、或两个磁阻元件以用于测量在z方向上取向的磁场值。
133.在描述图1(a)至图1(d)的电流传感器系统100的模拟结果之前，将参考图1(e)至图1(f)来描述电流传感器系统100的另一种变体。图1(a)至图1(d)的电流传感器系统100与图1(e)至图1(f)的电流传感器系统150之间的最重要差别是磁传感器设备152的取向。如图1(e)中可见的，磁传感器设备152的衬底取向成垂直于金属板103，并且平行于电导体101的纵轴y。
134.参考图1(f)，磁传感器设备152可被配置成用于使用第一水平霍尔元件h3测量在电导体(例如，汇流条)的横向方向x上定向的第一磁场部件bx1，以及用于使用第二水平霍尔元件h4测量第二磁场部件bx2，第二水平霍尔元件h4与第一水平霍尔元件h3间隔开距离dz，并且磁传感器设备152可配置成用于例如根据公式：δbx＝bx1-bx2来确定这两个值之间的差δbx，并且可配置成用于根据以下公式来确定ac电流的大小：i＝k2*(bx1-bx2)，其中k2是预定常量，与ac电流的波形无关，并且与ac电流的特定频谱基本上无关(假设ac电流具有低于或高达2000hz的频谱峰值或谱瓣或频谱分量)。可以用已知方式来确定k2的值，例如通过模拟、或通过校准、或通过其他合适的方式，并且可以将k2的值存储在电流传感器设
备的非易失性存储器931、1031中。该实施例的优点是传感器设备152的半导体衬底可以平行于yz平面定向，因为这仅需要在两个导体部分101a与101b之间的“相对窄的狭缝”，即，对于两个导体部分之间的距离ws相对小的值。
135.在电流传感器系统150的变体(未示出)中，传感器设备围绕z轴旋转超过90
°
，使得半导体表面与xz平面平行，并且半导体设备包含两个垂直霍尔元件或两个磁阻元件，这些元件被配置成用于测量在x方向上取向的bx1和bx2的值，与图1(f)类似。
136.金属板103的尺寸不是本发明起效的关键。在实施例中，金属板的宽度wp小于两个电导体部分的外部宽度wc。在实施例中，金属板的宽度wp基本上等于两个电导体部分的外部宽度wc。在实施例中，金属板的宽度wp大于两个电导体部分的宽度wc，例如至少更大20％，或至少更大50％。
137.尽管未示出，但是在图1(a)至图1(f)的所有实施例中，并且特别是在图1(e)和图1(f)的实施例中，电流传感器系统150可以可选地包括与第一金属板平行的第二金属板，该第二金属板布置在汇流条101的相对侧上，使得两个电导体部分101a、101b位于两个金属板之间。在该实施例中，传感器元件h3、h4与金属板相距相等距离，这可以进一步改善准确度。
138.图2(a)示出了如可在x轴上的各种位置处测量的，作为沿x轴的函数的、由各种频率的正弦ac电流感应出的磁场的磁场分量bz的复数表示的幅度和相位的模拟结果。垂直线指示在不存在金属板103的情况下，由图1(d)的传感器设备102的传感器元件h1、h2测得的值。该模拟是针对具有以下参数的传感器系统进行的：(汇流条：)wc＝18mm、tc＝3mm、ws＝9mm；(金属板：)tp＝5mm、lp＝wp＝5cm至10cm、g＝75mm；但是当然，本发明不限于此，并且还可以使用其他尺寸。
139.如图可见，bz1和bz2的实部是频率相关的：带正方形的曲线(对应于100hz电流)与带三角形的曲线(对应于1000hz信号)不重合，并且不与带圆形的曲线(对应于2000hz的信号)重合。而且bz1的实部与bz2的实部之间的差也是频率相关的，因为带圆形的两个曲线之间的差与带正方形的两个曲线之间的差不同。同样地，bz1和bz2的虚部是频率相关的，并且虚部之间的差也是频率相关的。
140.图2(b)示出了在存在金属板103的情况下的模拟结果。如图可见，个体信号bz1和bz2仍各自取决于频率，但bz1的实部与bz2的实部之间的差与频率基本上无关。该差仅取决于ac电流的大小。
141.如进一步可以看出，虽然个体虚部随着频率变化，但是bz1的虚部和bz2的虚部基本上相等，因此它们之间的差基本上等于零，而与频率无关。换言之，bz1与bz2之间的相移为零。由此，根据公式i＝k*(bz1-bz2)，δbz＝(bz1-bz2)的大小与ac电流的大小成正比，其中k是常量，对于在dc至约2000hz范围内的频率，k与电流波形的频率组成无关。据发明人所知，该教导在现有技术中是未知的。
142.从图2(b)还可以理解，两个霍尔传感器元件的x1和x2位置根本不是关键的，并且两个霍尔传感器元件之间的距离“dx”也根本不是关键的，并且在两个导体部分101a、101b之间的间隙(沿x轴)内的传感器设备102的位置根本不是关键的。
143.受益于本公开的技术人员可以通过将传感器设备102移动靠近或远离金属板、和通过对各种频率的ac电流执行一组测量、以及通过选择产生最准确结果的位置，来容易地针对给定汇流条(wc，tc，ws)和给定金属板(lp，wp，tp)以及它们之间的给定距离(g)找到传
感器102的最佳位置(本段在本文中还被称为“第一优化方法”)。
144.替代地，对于传感器设备的给定位置，技术人员可以通过将金属板103移动靠近或远离传感器设备(和汇流条)、和通过对各种频率的ac电流执行一组测量、以及通过选择产生最准确结果的位置，来找到汇流条与金属板之间的最佳距离“g”(本段在本文中还被称为“第二优化方法”)。
145.对于给定汇流条和给定金属板，可以通过以下方式来找到总体最优布置：例如通过从传感器设备102的初始位置(例如，在两个电导体部分之间的中间位置以及它们高度的一半tc/2处)以及在汇流条与金属板之间的初始距离“g”(例如，约75mm)开始，并且通过交替地重复前两段中描述的方法，直到找到期望的精度为止。如果结果不令人满意，则可以重复该过程或者使用另一汇流条和/或另一金属板(本段在本文中还被称为“总体优化方法”)。
146.图3(a)示出了在没有金属板103的情况下，由图1(a)至图1(d)的传感器元件测量的信号将如何作为频率的函数而衰减和相移。上图示出了个体信号的幅度(在该示例中等于约3mt)，以及差分信号的幅度(在该示例中等于约6mt)。中间的图以百分比为单位示出衰减，并且下图以度为单位示出了相对于频率为100hz的ac电流的相移。如图可见，在该特定示例中，由频率为2000hz的ac电流引起的磁场将衰减大约3.7％，并且相对于具有相同幅度但频率为100hz的ac电流相移大约-2
°
。在其他示例中(未示出)，衰减可以是约6％并且相移可以是约3
°
。
147.图3(b)示出了在存在金属板103的情况下，由图1(a)至图1(d)的传感器元件测量的个体信号将如何作为频率的函数而衰减和相移，并且示出了这些信号的差。
148.如图可见，差分信号或梯度信号(由正方形指示)具有恒定幅度(参见中央图中带正方形的水平线)并且具有零相移(参见下图中带正方形的水平线)，而与ac电流的频率无关。
149.简直令人惊讶的是，通过在汇流条附近添加金属板或另一导电表面、并且通过测量在两个导体部分101a、101b之间的间隙内间隔开距离dx的两个位置x1、x2处的磁场分量、以及通过计算磁场差或空间梯度，可以完全消除趋肤效应的负面影响。该电流传感器设备102可以通过简单地测量梯度、并且通过将梯度乘以预定义的常数“k”，来确定具有高达2000hz的一个或多个频率的ac电流的瞬时大小，而不需要执行频率分析(例如，傅里叶分析)或时域分析以确定波形的形状。
150.当组合上述“第一、第二和总体优化方法”以及图2和图3的模拟结果时，受益于本公开的技术人员现在将理解他仅需比较具有相同幅度的100hz正弦电流与2000hz正弦电流的测量结果，并且如果这些结果基本上相同，则对于中间的频率结果也将是相同的。这可以显著地简化寻找合适或半最优或最优位置的(多种)方法。
151.图4(a)至图4(h)示出了根据本发明的电流传感器系统的第二实施例及其变体，其中电流传感器系统包括：
[0152]-电导体401(例如，汇流条)，电导体401主要在第一方向y上延伸，并且具有两个横向切口411、412(从汇流条的相对侧s1、s2在x方向上延伸)，这些切口沿纵向方向y彼此间隔开，以便在两个切口之间形成具有横向通道区406的之字形(参见例如图4(e))；
[0153]-布置在所述通道区附近的磁传感器设备402；
[0154]-具有开口413的金属板403，所述金属板还被布置在通道区附近，与汇流条在z方向上相距距离“g”。
[0155]
代替具有开口的金属板，还可能使用具有表面或层的物体，该表面或层的一部分是非导电的，所述非导电表面或层部分被导电表面或层部分包围。
[0156]
在图4(c)至图4(e)的实施例中，传感器设备402具有定向为平行于电导体401的xy平面(垂直于电导体的厚度方向z)并且平行于金属板403的半导体衬底。传感器设备402的高度位置(在z方向上)可在靠近汇流条的位置(参见例如图4(c))到靠近金属板的位置(参见例如图4(e))或甚至超出金属板(参见图4(d))之间变化。传感器设备402可包括两个水平霍尔元件h1、h2，各自配置成用于测量在z方向上定向的磁场分量，在本文中分别称为bz1、bz2。
[0157]
图4(b)示出了涡流将如何在板中流动(示出在汇流条之上的覆盖层中)，该板具有在通道区或之字形中央的“上方”的开口413。在图4(b)的示例中，板的宽度wp基本上等于电导体的宽度wc，但这不是本发明起效所绝对必需的。如上文关于第一实施例所述，同样在第二实施例中，金属板的形状和尺寸不是关键的。优选地，板的宽度wp(在横向方向x上测量)在电导体的宽度wc的约50％至约300％的范围内，或者在wc的约50％至约200％的范围内，例如wc的约100％或wc的约150％。
[0158]
在图4(b)的示例中，金属板的长度lp(在y方向上测量)延伸超过两个切口或狭缝411、412的位置，但是只要金属板401的长度lp足够长，例如至少等于或长于切口411、412的远侧边缘之间的长度l2，则该长度lp也不是关键的。
[0159]
图4(a)是图4(b)在平面a-a中的示意性截面图。指示了四个传感器位置(由黑点指示每个传感器位置)，但是测量例如仅“板上方的”bz1和bz2或仅“板下方的”bz3和bz4、或测量“位于与板相同高度处的”两个磁场分量(例如，如图4(e)所示)就足够了。
[0160]
在所有这些情况中，可以根据公式：i＝k1*(dbz/dy)来确定ac电流的大小，或者如果组合dy和k1的值，则可以根据公式：i＝k*δbz＝k*(bz1-bz2)或i＝k*(bz3-bz4)来确定ac电流的大小。
[0161]
k值为常量，与频率无关。可以用已知方式来确定k值，例如在下线测试或校准测试期间确定k值，并且可以将k值存储在传感器设备的非易失性存储器931、1031中。
[0162]
在图4(f)所示的变体中，传感器系统480包括安装在衬底(例如，印刷电路板485)的相对侧上的两个传感器设备402a、402b。第一传感器设备402a被配置成用于在第一高度位置处(例如，在金属板403上方)测量bz1和bz2并且确定第一电流值i1，第二传感器设备402b被配置成用于在第二高度位置处(例如，在板403的相同高度处或低于板403)测量bz3和bz4并且确定第二电流值i2。出于冗余或功能安全性目的，可以例如由传感器设备中的一个传感器设备、或由外部处理单元(例如，ecu)来比较两个电流值i1、i2。如果两个值i1、i2在预定义的容差裕度内或多或少是相同的，则也可以对两个电流值求平均，这进一步改善了准确度。如果两个电流值的偏差超过所述预定义的容差裕度，则这是故障情况的指示。
[0163]
在另一变体(未示出)中，电流传感器系统包括单个传感器设备，该单个传感器设备具有彼此上下堆叠的两个半导体管芯，第一管芯被配置成用于在距离汇流条第一距离处测量bz1和bz2，第二管芯被配置成用于在距离汇流条第二距离处测量bz3和bz4。半导体管芯可以具有相同大小，但不需要具有相同大小。在特定实施例中，下管芯可具有间隔开距离
dy1的两个水平霍尔元件h3、h4，并且上管芯可具有间隔开小于dy1的距离dy2的两个水平霍尔元件h1、h2，并且第一管芯和第二管芯可通过连接到位于两个管芯的上表面处的焊盘的键合接线互连。
[0164]
在图4(g)的示例中，传感器系统460包括两个传感器设备402a、402b，两个传感器设备402a、402b沿y轴间隔开并且定向为使得它们的半导体衬底垂直于汇流条的y轴，并且因此也垂直于金属板403。第一传感器设备402a可包括两个垂直霍尔元件v1、v3以用于测量bz1、bz3，两个垂直霍尔元件v1、v3中的一者可以位于金属板403的上方，而另一者位于金属板的相同高度处或位于金属板的下方。同样地，第二传感器设备402b可包括两个垂直霍尔元件v2、v4以用于测量bz2、bz4，两个垂直霍尔元件v2、v4中的一者可以位于金属板403的上方，而另一者位于金属板的相同高度处或位于金属板的下方。出于冗余目的，随后处理单元(例如传感器设备中的一个传感器设备的处理单元、或外部处理单元(例如，ecu))可以基于bz1和bz2来计算第一电流i1，以及例如基于bz3和bz4来计算第二电流i2。两个传感器设备402a、402b可以安装在印刷电路板(pcb)465的相对侧上，如图4(h)所示。
[0165]
在图4(g)的变体中，每个传感器设备包含仅一个传感器元件，例如，传感器设备402a仅包含垂直霍尔元件v1，并且传感器设备402b仅包含垂直霍尔元件v2。可使用相同公式用于计算ac电流，但是当然，在该情况下不存在冗余。
[0166]
模拟了如图4(e)所示的电流传感器系统的特定示例，该电流传感器系统具有以下参数：(汇流条：)wc＝18mm、tc＝3mm、l1＝6mm、l2＝16mm、正方形开口＝2mm
×
2mm；(金属板：)wp＝40mm、lp＝40mm、tp＝105μm、g＝0.5mm，但是当然，本发明不限于具有这些特定尺寸的系统。
[0167]
图5(a)示出了在不存在金属板403的情况下，如可由图4(e)的传感器设备的传感器元件测量的，针对不同频率、在沿y轴的不同位置处的由正弦ac电流感应出的磁场的磁场分量bz的复数表示的实部和虚部的模拟结果。
[0168]
这些图表类似于图2的图表，针对在“通道区”附近和金属板403中的开口附近的位置。图5(a)中的垂直线指示在示例中相距2.0mm的(图4c至图4e的)传感器元件h1和h2的位置或指示(图4g的)传感器元件v1、v2的位置。
[0169]
如图可见，bz1和bz2的实部是略微频率相关的：带正方形的曲线(对应于100hz电流)与带圆形的曲线(对应于2000hz信号)不重合。因此，bz1的实部与bz2的实部之间的差也是频率相关的。但还可以看出，bz1和bz2的虚部是更加频率相关的，因此虚部之间的差也是频率相关的。如果基于这些分量值或基于这些分量值的差或梯度来计算电流的大小，则测量结果将是不准确的。
[0170]
图5(b)示出了在存在具有开口413的金属板403的情况下的模拟结果。如图可见，因为在测量位置处曲线基本上重合，所以个体信号bz1和bz2的实部和虚部不取决于频率，而仅取决于ac电流的大小。因此，bz1的实部与bz2的实部之间的差也基本上与频率无关。此外，bz1的虚部和bz2的虚部基本上等于零，而与频率无关。因此，bz1与bz2之间的相移也为零。由此，根据公式i＝k*(bz1-bz2)，δbz＝(bz1-bz2)的大小与ac电流的大小成正比，其中k是常量，对于在dc至约2000hz范围内的频率，k与电流波形的频率组成无关。据发明人所知，该行为在现有技术中是未知的。
[0171]
从图5(b)还应理解，两个霍尔传感器的x1和x2位置不是关键的并且可以略微偏
移，并且两个霍尔传感器之间的距离“dx”也不是关键的。优选地，开口413具有正方形或矩形形状，长度和宽度为传感器元件之间的距离dx的约90％至约150％，但是其他形状也可以起效，例如圆形、椭圆形、六边形、八边形、多边形等。
[0172]
由于bz1和bz2的虚部等于零，因此还可以根据以下公式来计算电流：i＝k*bz1或i＝k*bz2。这种实施例需要仅具有一个磁传感器元件的仅一个传感器设备。然而，这样的电流传感器系统对于外部干扰场(陌生场(fremdfeld))不是稳健的，而将根据磁场差或梯度来确定电流的电流传感器系统基本上是“杂散场免疫”的。
[0173]
图6(a)至图6(g)示出了根据本发明的电流传感器系统600的第三实施例，其中电流传感器系统包括：细长电导体601(例如，汇流条)，细长电导体601具有在纵向方向(y)上彼此间隔开的两个横向切口，以便形成具有横向通道区的之字形；以及磁传感器设备602，磁传感器设备602布置在所述通道区附近；以及金属板603，金属板603具有不对称地布置在通道区附近的边缘(例如，在汇流条的横向方向x上定向的直边缘)，并且优选地在电导体601的整个宽度wc上延伸。该实施例可被视作图4的实施例的变体，主要区别在于图6的金属板603或具有导电表面的物体位于“通道区”的仅一侧上，而不是像图4中的情况一样位于“通道区”的两侧上。以上针对第二实施例及其变体(图4)所描述的内容中的大部分也适用于第三实施例(图6)，除非另有明确提及或上下文清楚说明。
[0174]
图6(b)示出电导体101的俯视图。电导体601可以与图4所示的电导体401相同。
[0175]
图6(a)示出了图6(b)按照a-a的横截面。
[0176]
图6(e)至图6(g)示出了透视图，与图4(c)至图4(e)类似，但使用相对于“横向通道区”不对称地或偏心地(eccentrically)定位的金属板。
[0177]
图6(c)示出了矩形金属板的示例，该矩形金属板可用于该实施例。该板的宽度wp优选地等于电导体(例如汇流条)的宽度wc，但这不是绝对必需的，并且wp也可以大于导体的宽度wc，或甚至比宽度wc略微更小。例如，wp可以为wc的50％至300％。该值不是关键的。板的长度lp(在汇流条的纵向方向y上)也不是关键的。优选地，长度lp足够长，例如至少像狭缝或切口611、612的近侧边缘之间的长度l1一样长，或至少为狭缝或切口611、612的远侧边缘之间的长度l2，或至少为l2的150％，或至少为l2的200％。该长度的值对于本发明起效不是关键的。
[0178]
图6(d)示出了这样的电流传感器系统的可能尺寸。在示例中，汇流条601具有宽度wc＝20mm，切口或狭缝的宽度(在y方向上)为3.5mm并且长度为约12mm，距离l1为6mm，距离l2为13mm，板的长度(在y方向上)为19mm(在该示例中等于约l2*150％)，并且板的宽度为40mm(在该示例中等于wp*2)。但是当然，这仅是一个示例，并且本发明不需要这些特定尺寸。图6(d)还示出了在这样的板中流动的涡流的示例。
[0179]
图7示出了图6的电流传感器系统的模拟结果。在y1＝-1mm和y2＝ 1mm处的两条垂直线指示沿y轴的两个霍尔元件h1、h2的位置。
[0180]
图7(a)示出了对于在100hz至2000hz范围内的各种频率的ac电流，作为沿着汇流条的中央轴y/在汇流条的中央轴y上方的位置的函数的磁场分量信号bz1、bz2的实部(以任意单位)。如图可见，各个实部取决于频率，但差分信号δbz＝(bz1-bz2)的实部或梯度(δbz/dy)的实部不取决于频率。
[0181]
图7(b)示出了磁场分量信号bz1、bz2的虚部。如图可见，各个虚部取决于频率，但
差分信号δbz＝(bz1-bz2)的虚部或梯度(δbz/dy)的虚部不取决于频率或仅稍微取决于频率。由于不对称性，该结果是高度反直觉的。据发明人所知，现有技术没有教导将金属板置于汇流条附近，而且处于不对称位置，将通过基本上补偿趋肤效应来改善ac电流测量结果的准确度。
[0182]
图8(a)至图8(c)示出了根据本发明的电流传感器系统的第四实施例，其中电流传感器系统800包括：具有u形屏蔽件840的细长电导体801(例如汇流条)；以及布置在距汇流条801距离“g”处的导电板803；以及磁传感器设备802(未示出)，磁传感器设备布置在由金属板803和屏蔽件840限定或界定的空间内。如图所示，该金属板803不具有开口。金属板可以是围绕汇流条的金属盒形式的屏蔽件的部分。
[0183]
图8(a)示出了电流传感器系统800在与汇流条的纵向方向y垂直的平面α中的横截面。传感器设备802在横向方向x上的位置优选地基本上在汇流条801的中间上方。高度位置“h”不是关键的，但优选地为汇流条801的顶表面与金属板803的底表面之间的基本上中间位置，或者距汇流条801的距离h也可以是在汇流条801与金属板803之间的距离“g”的约30％至约70％的范围内的值。
[0184]
图8(b)示出了透视图。
[0185]
图8(c)是磁传感器设备802的示意性表示，该磁传感器设备802具有单个垂直霍尔传感器(由黑线示意性地表示)，被配置为用于测量在电导体802的横向方向上、在平行于金属板803的x方向上定向的磁场分量bx。
[0186]
传感器设备802被配置成用于根据公式：i＝k*bx来确定电流i，其中bx是磁场分量，而k是常量，与频率无关。
[0187]
在该实施例的变体中，传感器设备位于金属板的相对侧上，即，在图8(a)和图8(b)的金属板上方。
[0188]
这里也获得了与如上所述的相同优点(改善了ac电流测量结果的准确度)。由于屏蔽件，该实施例对外部干扰场也是稳健的。
[0189]
尽管使用一个或多个磁敏元件的电流传感器设备在本领域中是已知的，但为了完整性而提供图9和图10。
[0190]
图9示出了可用于上述实施例的电流传感器设备的电路910的电学框图。该框图不包含温度传感器或应力传感器。
[0191]
处理单元930适于通过根据公式：i＝k*v1或i＝k.(v1-v2)计算电流来确定要测量的电流，其中k是预定义的常量，k可在设计期间通过模拟来确定或者在评估或校准阶段期间确定，v1是由第一磁传感器911提供的值(或从其导出的值，例如在放大之后)，而v2(如果存在)是由第二磁传感器921提供的值(或从其导出的值)。减法可以在放大前或在放大后在硬件中完成，或者可在数字域中执行。处理单元930可以包括数字处理器，该数字处理器包括或连接到存储所述至少一个常数值k的非易失性存储器931。
[0192]
处理电路910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910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。传感器设备可进一步包括模数转换器adc，该adc被配置成用于将这些经放大的信号数字化。该adc可以是数字处理器电路的部分。
[0193]
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(例如经由串行数据总线(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。
[0194]
图10示出了处理电路1010的电学框图，其可以被视为图9的处理电路910的变体，进一步包括通信地连接至处理单元1030的第一温度传感器1012和/或第二温度传感器1022。处理单元1030适于基于值v1和v2中的一者或两者来确定要测量的电流，进一步考虑到温度信号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。
[0195]
在特定的实施例中，温度补偿是以与ep3109658(a1)中所述的类似方式执行的，该申请通过引用整体结合于此。
[0196]
电流传感器的优点在于，其包括温度补偿机制。以此方式，可以进一步改善电流测量结果的准确度。
[0197]
图9的处理单元930和图10的处理单元1030可以包含数字处理器，例如可编程微控制器。虽然没有明确示出，但电路910和1010还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与处理单元的输入之间)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9和图10的框图未示出该细节级别。
[0198]
在该方面要注意的是，如果信号v1、v2、t1和t2是模拟信号，则处理单元1030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1030不需要具有adc。
[0199]
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，从而使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度。
[0200]
在图10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)和/或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。
[0201]
在图10的变体(未示出)中，电路包括一个或两个机械应力传感器而不是一个或两个温度传感器，并且处理单元1030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。
[0202]
在图10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1030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。
[0203]
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式对温度和/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。
[0204]
在图1(a)至图6(g)的实施例中，优选地在汇流条周围没有屏蔽件，或者换言之，优选地这些电流传感器系统是“无芯的”。如上所述，图8(a)和图8(b)的电流传感器系统可具有屏蔽件。
[0205]
在附图中，示出了仅一个汇流条，而且在图1(a)至图1(f)中汇流条可被分成传导同相电流的两个平行部分，但是当然本发明不限于此，并且也可用于三相系统。
[0206]
本发明还涉及包括三个电导体和三个磁传感器设备的电流传感器系统。三个电导体可以基本上平行地布置。该三相电流传感器系统可包括三个单独的金属板，每个金属板以如图1(a)至图8(b)所示的类似方式相对于对应的汇流条布置，并且每个金属板在汇流条的横向方向上的宽度wp小于相邻汇流条的中心之间的距离，例如宽度wp在所述距离的0.50倍至0.95倍的范围内。替代地，三相电流系统可包括具有至少三个电流分离的导电区域的单个印刷电路板(pcb)。该pcb可以是多层pcb。