一种可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器的制作方法

本申请涉及组串电流及拉弧电流检测设备领域，具体涉及一种可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器。

背景技术：

光伏逆变器面板在室外使用时间较长时，会出现线缆老化、接触不良等现象，从而在正常使用中可能会出现电弧，严重时会出现高温起火，具有较大的安全隐患，通过拉弧检测可及时发现并排除安全隐患，有效避免了上述安全隐患的发生，因此，对光伏逆变器面板进行拉弧检测成为一个当前一个主流趋势。除了检测拉弧电流之外，直流信号检测也是必不可少的。

现有技术方案中的拉弧检测装置的检测原理类似于互感器应用，参见图1所示，主要是依据电磁感应原理将互感器一次侧较大电流转换为二次侧较小电流，而次级绕组感应到的电流再经过串联的电阻取样给信号处理模块，信号处理模块通过互感器的额定互感比还原出原始电流。其中，互感器的互感比为一次侧初级绕组n1与二次侧次级绕组n2的额定电流之比，或者可以近似表示为一次侧初级绕组线圈与二次侧次级绕组线圈的匝数比，而二次侧采用闭合磁环设置。

而直流电流检测部分采用的检测器件的设备图参见2a所示，电路图参见图2b所示，原边电流穿过磁环，磁环根据电磁感应产生磁场，磁环缝隙中的传感芯片根据感应到的磁场转换成电压信号输出，以便后续检测。

现有技术方案中，检测直流电流的器件与检测拉弧电流的器件分别为独立的器件，如此，造成体积大、不利于板载安装的技术问题。

因此，现有技术方案中缺少一种体积较小且能同时实现拉弧电流检测及直流电流检测的检测装置。

申请内容

因此，为了解决现有技术方案中缺少一种体积较小且能同时实现拉弧电流检测及直流电流检测的检测装置的技术问题，本申请提供一种可同时检测直流及拉弧电流的传感器。

根据本申请实施例提供的一种可同时检测直流及拉弧电流的传感器，包括：

外壳，包括内壁与外壁，内壁与外壁之间设置有间隙；

磁芯，位于所述间隙内，在预设侧壁上开环设计有预设尺寸的缝隙；

pcb板，包括第一部分和第二部分，第二部分与第一部分连接，第二部分嵌于所述缝隙的两侧壁之间，第一部分位于所述磁芯外侧，与所述缝隙所在的侧面抵接；

直流电流检测芯片，贴合于所述第二部分的第一表面，用于检测直流电流；

拉弧电流检测芯片，贴合于所述第二部分的第二表面，用于检测拉弧电流；

信号处理模块，分别与所述直流电流检测芯片及拉弧电流检测芯片连接，处理并输出检测到的直流电流信号及拉弧电流信号；

其中，所述第二表面与所述第一表面相背。

优选地，所述缝隙的侧壁设置有向外凸起的第一凸缘，所述pcb板的第一部分的相应位置处设置有与所述第一凸缘匹配的第一凹陷，通过所述第一凸缘与第一凹陷匹配使得所述pcb板的第一部分与所述预设侧壁紧密贴合。

优选地，所述内壁靠所述磁芯的缝隙一侧设置有固定件,

所述固定件与所述缝隙两侧壁的预设侧边抵接，用于固定所述磁芯。

优选地，所述固定件包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板与所述缝隙两侧的侧壁分别抵接。

优选地，所述直流电流检测芯片、所述拉弧电流检测芯片均为全桥式芯片。

优选地，在所述处理模块中，所述直流电流检测芯片对应的处理单元的电路结构，包括：

由第一电感、第二电感、第三电感及第四电感构成的第一磁传感芯片；

第一滤波模块，包括第五电感和第六电感，用于过滤交流电流；

第一运算放大器，包括第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端及接地端，第三连接端与第五电感连接，第二连接端与第六电感连接，在第一连接端与第二连接端设有并联连接的第二电容和第七电感，在第五电感与第三连接端之间设有并联连接的第八电感及第一电容，第四连接端为输出端；

其中，第一电感与第二电感串联形成第一电感组，第三电感与第四电感串联形成第二电感组，第一电感组与第二电感组并联形成所述第一磁传感芯片；及

第一电容的电容值与第二电容的电容值相同，第七电感的电阻值与第八电感的电阻值相同。

优选地，

所述第一电容及第二电容的低通频率均为f1＝1/(2*pi*c1*r7)；

其中，c1为第一电容c1的电容值，r7为第七电感mr1的电阻值，pi为圆周率值。

优选地，所述第一磁传感芯片的灵敏度为0.1mv/v/gs-0.5mv/v/gs。

优选地，所述直流电流检测芯片的输出电压vout1为：

vout1＝β1*i1*sen1*m1+vref1；

其中，β1为第一磁传感芯片的放大倍数，i1为原边电流，sen1为第一磁传感芯片的灵敏度，m1为每1a直流电流产生的磁场，vref1为第一磁传感芯片的偏置电压。

优选地，在所述处理模块中，所述拉弧电流检测芯片对应的处理单元的电路结构，包括：

由第九电感、第十电感、第十一电感及第十二电感构成的第二磁传感芯片；

第二滤波模块，包括第十三电感、第十四电感、第五电容及第六电容，用于过滤直流电流；

第二运算放大器，包括第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端及接地端，第三连接端与第十三电感连接，第二连接端与第十四电感连接，在第一连接端与第二连接端设有并联连接的第四电容和第十五电感，在第十三电感与第三连接端之间设有并联连接的第十六电感及第三电容，第四连接端为输出端；

其中，第九电感与第十电感串联形成第三电感组，第十一电感与第十二电感串联形成第四电感组，第三电感组与第四电感组并联形成所述第二磁传感芯片；及

第十三电感的电阻值与第十四电感的电阻值相同，第十五电感的电阻值与第十六电感的电阻值相同。

优选地，所述第三电容和第四电容的频率均为：f2＝1/(2*pi*c5*r13)；

其中，c5为第五电容的电容值，r13为第十三电感的电阻值。

优选地，所述第二磁传感芯片的灵敏度为2mv/v/gs-5mv/v/gs。

优选地，所述拉弧电流检测芯片的输出电压vout2为：

vout2＝β2*i2*sen2*m2+vref2；

其中，β2为第二磁传感芯片的放大倍数，i2为原边电流，sen2为第一磁传感芯片的灵敏度，m2为每1a直流电流产生的磁场，vref2为第二磁传感芯片的偏置电压。

优选地，可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器，还包括：

固定组件，包括底板及固定在底板一个表面上的固定针，通过所述底板的另一表面与所述pcb板的第一部分的一个表面连接。

本申请可以达到如下技术效果：

1.磁芯做开环设计预设缝隙，提高了磁芯的饱和度，从而使得拉弧电流感应装置可以感应到较大的直流电流时依然可以感应到交流式的拉弧电流，有效保证了拉弧电流感应装置具有较高的感应能力。

2.本方案提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器，克服了现有技术方案中不存在可同时检测直流电流及拉弧电流的装置的缺陷；且本方案，将直流电流检测芯片及拉弧电流检测芯片分别贴合在pcb板的第二部分的相对的表面，从而使得同时具有直流电流检测能力及拉弧电流检测能力的传感器的体积较小，便于板载安装。

3.磁芯对材料要求不高，采用铁氧体，价格低廉，保证了较低的成本，为批量生产提高了便利条件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术方案中互感器的机构示意图；

图2a为现有技术方案中的直流电流检测器件的示意图；

图2b为现有技术方案中的直流电流检测器件内部电路图；

图3、图4均为本申请实施例提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器的示意图；

图5为本申请实施例提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器中的直流电流检测芯片对应的电路图；

图6为本申请实施例提供的直流电流检测芯片的输出电压与感应到的磁场的变化关系图；

图7为本申请实施例提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器中的拉弧电流检测芯片对应的电路图；

图8为本申请实施例提供的拉弧电流检测芯片的输出电压与感应到的磁场的变化关系图；

图9a为本申请一具体实施例中第一磁传感芯片的输出电压与检测到的直流电流的关系图；

图9b为本申请一具体实施例中第二磁传感芯片的输出电压与检测到的拉弧电流的关系图；

图10为本申请实施例提供的可同时检测直流电流与拉弧电流的传感器的带宽与频率的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本申请实施例提供一种可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器，参见图3及图4所示，包括外壳31，磁芯32，pcb板33，直流电流检测芯片34，拉弧电流检测芯片35和信号处理模块其中，

外壳31，包括内壁311与外壁312，内壁311与外壁312之间设置有间隙；该间隙用于容纳磁芯；

磁芯32，位于所述间隙内，在磁芯的预设侧壁上开环设计有预设尺寸的缝隙321；

pcb板33，包括第一部分331和第二部分332，第二部分332与第一部分331连接，第二部分332嵌于所述缝隙321的两侧壁之间，第一部分331位于所述磁芯32外侧，与所述缝隙321所在的侧面抵接；第二部分的两侧边分别抵接所述缝隙的两侧壁。

直流电流检测芯片34，贴合于所述第二部分332的第一表面，用于检测直流电流；

拉弧电流检测芯片35，贴合于所述第二部分332的第二表面，用于检测拉弧电流；

信号处理模块，分别与所述直流电流检测芯片34及拉弧电流检测芯片35连接，处理并输出检测到的直流电流信号及拉弧电流信号；在此指出，直流电流检测芯片34及拉弧电流检测芯片35可以均采用smt工艺，通过锡膏焊接在pcb板上，而信号处理模块可设置在pcb板上，也可以直流电流检测芯片34对应的处理单元设置在于直流检测芯片上，而拉弧电流检测芯片35对应的处理单元设置在于拉弧电流检测芯片上。

其中，所述第二表面与所述第一表面相背。

在本发明实施例中，在预设侧壁上开环设计的预设缝隙的具体尺寸与所述磁芯的直流饱和电流正相关，即，如果需要磁芯的直流饱和电流较大，则相应的应该将开环设计缝隙的尺寸做大一些，如此，才能保证磁芯在感应到较大直流电流时依然具有感应交流式的拉弧电流的能力。

在本申请实施例中，在磁芯的预设侧壁上开环设计有预设尺寸的缝隙，相对于传统方案中的闭环设计，开环设计有预设尺寸的缝隙的技术方案提高了磁芯的饱和度，从而使得即使在有直流的情况下传感器也没那么容易饱和，可有效输出检测到的拉弧电流。

本申请实施例中的磁芯，可采用铁氧体材质，相较于采用饱和场较大的纳米磁环来提高磁芯的饱和场的技术方案，本方案对材质的要求低，价格低廉，便于量产，更重要的，采用铁氧体材质制作的带有预设尺寸的缝隙的磁芯较采用纳米磁芯而言，在饱和场相同的情况下，采用铁氧体材质制作的带有预设尺寸的缝隙的磁芯的体积远远小于采用纳米材质制备的闭合磁芯的体积，因此，可有效保证传感器的较小体积，为板载安装提供了很大的便利条件。

在本申请实施例中，对外壳的材质不做具体限制，可根据实际需求进行更改制作。

在本申请实施例中，将直流电流检测芯片34与拉弧电流检测芯片35贴合在位于缝隙内的第二部分的相对的表面，从而可达到传感器可同时检测直流电流及拉弧电流的目的，有效保证了本方案提供的传感器的体积较小，为板载安装提供了便利条件。

在本申请实施例中，所述缝隙的侧壁设置有向外凸起的第一凸缘，所述pcb板的第一部分的相应位置处设置有与所述第一凸缘匹配的第一凹陷，通过所述第一凸缘与第一凹陷匹配使得所述pcb板的第一部分与所述预设侧壁紧密贴合。

在本申请实施例中，所述内壁靠所述磁芯的缝隙一侧设置有固定件,

所述固定件与所述缝隙两侧壁的预设侧边抵接，用于固定所述磁芯。

在本申请实施例中，所述固定件包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板与所述缝隙两侧的侧壁分别抵接。

在本申请实施例中，所述直流电流检测芯片和所述拉弧电流检测芯片均为全桥式芯片。

进一步地，参见图5所示，所述直流电流检测芯片对应的处理单元的电路结构，包括：

由第一电感mr1、第二电感mr2、第三电感mr3及第四电感mr4构成的第一磁传感芯片41；第一磁传感芯片41可以焊接在pcb板上；第一滤波模块42，包括第五电感mr5和第六电感mr6，用于过滤交流电流；

第一运算放大器43，包括第一连接端p1、第二连接端p2、第三连接端p3、第四连接端p4及接地端，第三连接端p3与第五电感mr5连接，第二连接端p2与第六电感mr6连接，在第一连接端p1与第二连接端p2之间设有并联连接的第二电容c2和第七电感mr7，在第五电感mr5与第三连接端p3之间设有并联连接的第八电感mr8及第一电容c1，第四连接端p4为输出端；第一运算放大器43的第一连接端p1、第二连接端p2、第三连接端p3、第四连接端p4及第五连接端p5可以焊接在pcb板上，也可以集成在第一磁性传感芯片内部，可以根据实际需求进行设定。

其中，第一电感mr1与第二电感mr2串联形成第一电感组，第三电感mr3与第四电感mr4串联形成第二电感组，第一电感组与第二电感组并联形成所述第一磁传感芯片41；及

第一电容的电容值c1与第二电容c2的电容值相同，第七电感mr7的电阻值与第八电感mr8的电阻值相同。

在本申请实施例中，第一电容c1及第二电容c2均为低通滤波电容。

在此，列举一个具体实施例阐述直流电流检测芯片的工作过程：

原边电流线通过磁芯32的孔径，在磁芯32上开环设计的预设尺寸的缝隙中产生磁场m，磁芯为铁氧体材料，直流电流检测芯片根据磁感应原理可以感应到磁场m，基于直流电流检测芯片为mr桥式(全桥)磁传感芯片，根据感应到的磁场发生的变化，直流电流检测芯片的电阻值发生变化，从而，直流电流检测芯片的输出电压发生变化。具体的，直流电流检测芯片的输出电压与感应到的磁场的变化关系参见图6所示。在图6中，横坐标为直流电流检测芯片感应到的磁场强度，纵坐标为直流电流检测芯片的输出电压，从图中可以看出，直流电流检测芯片感应到的磁场达到200gs时，直流电流检测芯片的输出电压可达到48mv。

更进一步地，

所述第一电容c1及第二电容c2的低通频率均为f1＝1/(2*pi*c1*l7)；

其中，c1为第一电容的c1电容值，l7为第七电感mr7的电阻值，pi为为圆周率值。

在本申请实施例中，由第一电感mr1、第二电感mr2、第三电感mr3及第四电感mr4构成的第一磁传感芯片的灵敏度范围可为0.1mv/v/gs-0.5mv/v/gs，如可为0.1mv/v/gs、0.2mv/v/gs、0.3mv/v/gs、0.4mv/v/gs或0.5mv/v/gs。第一磁传感芯片的增益β1为第七电感mr7与第六电感mr6的电阻比值，作为一个具体实施例，原边电流产生的磁场对应5gs/a，与此同时，所述直流电流检测芯片的输出电压vout1为：

vout1＝β1*i1*sen1*m1+vref1；

其中，β1为第一磁传感芯片的放大倍数，i1为原边电流，sen1为第一磁传感芯片的灵敏度，m1为每1a直流电流产生的磁场，vref1为第一磁传感芯片的偏置电压。

在本申请实施例中，参见图7所示，所述拉弧电流检测芯片对应的处理单元的电路结构，包括：

由第九电感mr9、第十电感mr10、第十一电感mr11及第十二电感mr12构成的第二磁传感芯片61；第二磁传感芯片61可以焊接在pcb板上；

第二滤波模块62，包括第十三电感mr13、第十四电感mr14、第五电容c5及第六电容c6，用于过滤直流电流；

第二运算放大器63，包括第一连接端p5、第二连接端p6、第三连接端p7、第四连接端p8及接地端，第三连接端p7与第十三电感mr13连接，第二连接端p6与第十四电感mr14连接，在第一连接端p5与第二连接端p6之间设有并联连接的第四电容c4和第十五电感mr15，在第十三电感mr13与第三连接端p7之间设有并联连接的第十六电感mr16及第三电容c3，第四连接端l8为输出端；第二运算放大器63的第一连接端p5、第二连接端p6、第三连接端p7、第四连接端p8及第五连接端p5可以焊接在pcb板上，也可以集成在第二磁性传感芯片63内部，可以根据实际需求进行设定。

其中，第九电感mr8与第十电感mr10串联形成第三电感组，第十一电感mr11与第十二电感mr12串联形成第四电感组，第三电感组与第四电感组并联形成所述第二磁传感芯片61；及

第十三电感mr13的电阻值与第十四电感mr14的电阻值相同，第十五电感mr15的电阻值与第十六电感mr16的电阻值相同。

进一步地，所述第五电容c5和第六电容c6为高通电容，高通频率均为：

f3＝1/(2*pi*c5*l13),

所述第三电容c3和第四电容c4的频率均为：

f2＝1/(2*pi*c2*l15)；

其中，c5为第五电容c5的电容值，mr13为第十三电感的电阻值,第三电容c3的电容值与第四电容c4的电容值相同，第五电容c5的电容值与第六电容c6的电容值相同。

与此同时，所述第二磁传感芯片61的灵敏度为2mv/v/gs-5mv/v/gs，如可为2mv/v/gs、3mv/v/gs、4mv/v/gs或者5mv/v/gs。第二磁传感芯片61的增益β为第十五电感与第十四电感的电阻值之比。由于电流信号较小，有用的只有ma级别的电流，因此需要较高灵敏度的传感器芯片，且该第二磁传感芯片不能因为直流分量太大而饱和。通过拉弧检测芯片感测到的信号需要经过电路处理，滤除直流信号，只将拉弧信号放大处理到后端检测电路。

拉弧电流检测芯片，随着磁场的变化，感应到的电压信号也发生变化，具体地，感应到的电压信号与磁场变化的关系图参见图8所示。在图8中，横坐标表示感应到的磁场强度，纵坐标为拉弧电流检测芯片的输出电压，从图中可以看出，当拉弧电流检测芯片感应到的磁场达到200gs时，拉弧电流检测芯片的输出电压可达200mv。

具体地，在本申请实施例中，拉弧电流检测芯片工作在100gs左右的直流信号范围，如80gs-110gs，当拉弧信号叠加在直流分量上时，拉弧信号就在100gs左右变化。

在本申请实施例中，所述拉弧电流检测芯片的输出电压vout2为：

vout2＝β2*i2*sen2*m2+vref2；

其中，β2为第二磁传感芯片的放大倍数，i2为原边电流，sen2为第二磁传感芯片的灵敏度，m2为每1a直流电流产生的磁场，vref2为第二磁性传感芯片的偏置电压。在本实施例中，i2与i1均为原边电流，即，通过第一磁芯、第二磁芯的导线中的电流。

如下，列举一个具体实施例进行阐述：

为拉弧电流检测芯片提供0.8v-1.2v的电压，如1v，然后在该应用场景下，施加±200gs的磁场，检测拉弧电流检测芯片的输出。

在本申请实施例中，所述可同时检测直流及拉弧电流的传感器，还包括：

固定组件38，包括底板381及固定在底板一个表面上的若干个固定针382，通过所述底板381的另一表面与所述pcb板的第一部分的一个表面连接。

如下，列举采用本申请实施例提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器检测直流电流及拉弧电流的一个具体实施例：

设置逆变电流在5khz～100khz之间，模拟原边拉弧电流，原边在10a直流基础上加交流10ma10khz电流，检测直流电流检测芯片的输出，具体参见图9a所示。在图9a中，横坐标表征直流电流值，纵坐标表征本申请实施例提供的直流电流检测芯片的第一磁传感芯片的输出，从图中可以看出，直流电流值为25a时，第一磁传感芯片的输出电压为4.5v。在此指出，该输出电压包含有第一磁传感芯片的偏置电压，如若，第二磁传感芯片的偏置电压为2.5v，则第一次传感芯片的实际输出电压为2v。在此指出，偏置电压可根据实际需求进行设定，并不对其值的大小做具体限制。

参见图9b所示，拉弧电流检测芯片的第二磁传感芯片检测到的拉弧电流与输出电压的关系图，在图9b中，横坐标表征第二磁传感芯片检测到的拉弧电流，纵坐标为第二磁传感芯片的输出电压，从图中可看出，当第二磁传感芯片检测到的拉弧电流为100ma时，其输出电压为4.5v。

在此指出，本申请实施例选择包括有拉弧电路频率的频率范围，如5khz～100khz的频率，基于在该范围内，可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器的输出较为平坦，输出电压不会随频率的变化发生变化，具体参见图10所示。

本申请实施例提供的可同时检测直流电流及拉弧电流的传感器，可通过固定组件38将其固定，以防止转动或者晃动导致信号处理模块等模块损坏的现象发生。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。