一种用于电力设备的电流检测芯片的制作方法

本发明涉及磁传感器，尤其是涉及一种能够同时检测直流、拉弧电流，并且支持自检功能的小体积电流检测芯片。

背景技术：

1、为了提高电力系统供电的安全性，常常要求在电力设备中加入检测线路中电流的直流成份和交流成份（主要是拉弧电流）的传感器。部分电力设备由于受限于安装空间的对其体积限制、为相关传感器预留的安装空间有限，为此、出现了能够同时检测线路中拉弧电流和直流的单一传感器。例如，公开号为cn112630503a的专利文件提供了一种直流及拉弧电流的检测装置。该检测装置采用穿孔式结构，包含两组独立磁芯，第一磁芯表面缠绕的线圈用于检测线路中的拉弧电流，第二磁芯设有缝隙，所述缝隙处用于检测线路中的直流成份的电流检测芯片。公开号为cn112630502a的专利文件提供的直流及拉弧电流检测的传感器结构具有单个磁芯，并在其磁芯缝隙处放置两个电流检测芯片分别用于直流电流检测和拉弧电流检测；其中、在进行拉弧电流检测前，需要通过额外设置的滤波模块过滤线路中的直流成份。

2、可见，现有的直流及拉弧电流检测装置均设置磁芯或聚磁结构，结构尺寸仍然过大（磁芯在大电流冲击时容易饱和），需在结构外部电路板上设置拉弧电流信号处理电路，导致整体检测方案复杂、成本增高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能同时检测直流、拉弧电流，还具有自检功能的电流检测芯片。该电流检测芯片体积小、成本低且检测过程简单以期适用于逆变器等对元件空间有严格限制的电力设备。

2、本发明提供的电流检测芯片包括：载流导体，磁性传感器电路以及设置有第一组感应线圈的基板。

3、所述载流导体具有扁平的u型分段或“工”字分段实现为引线框架的一部分。所述基板与所述引线框架层叠设置，所述基板设置有感应线圈的表面作为第一表面；所述基板的第一表面的相对面作为其第二表面，所述第二表面与所述引线框架相对。

4、所述u型分段在所述第一组感应线圈围成的内部各处产生的磁场，均以第一方向穿过所述基板的第一表面。或者所述“工”字型分段的竖直分段在所述第一组感应线圈围成的内部各处产生的磁场，均以第一方向穿过所述基板的第一表面。所述第一方向为：从所述基板的第一表面穿入至所述基板的第二表面，或从所述基板的第二表面穿出至所述基板的第一表面。

5、所述磁性传感器电路包括若干磁传感单元，所述若干磁传感单元均设置于所述基板的第一表面，用于检测所述载流导体中电流的直流成份。

6、进一步地，为了消除测量环境中其它时变磁场的干扰，在所述基板上设置第二组感应线圈，所述第二组感应线圈任意一圈围成的内部仅通过所述扁平的u型分段、或所述“工”字型分段的竖直分段产生的、以第二方向穿过所述第一表面的磁场，所述第二方向与所述第一方向相反。所述第二组感应线圈与第一组感应线圈相互串联以抵消共模时变磁场的干扰。

7、进一步地，设置所述载流导体具有扁平的第一u型分段。所述第一组感应线圈沿着所述第一u型分段进行绕制，且其绕制平面为所述第一表面。所述第一组感应线圈的最外圈在所述第一表面的投影不超出所述第一u型分段外边缘在所述第一表面的投影，其最内圈在所述第一表面的投影超出所述第一u型分段内边缘在所述第一表面的投影。通过如此紧凑的布局，进一步减少整个电流检测芯片的尺寸。

8、优选地，所述载流导体具有扁平的第二u型分段。所述第二u型分段与所述第一u型分段具有一条公共的臂，且两者开口朝向相反形成“s”型（躺平的“s”型）。所述第二组感应线圈的最外圈在所述第一表面的投影不超出所述第二u型分段外边缘在所述第一表面的投影，其最内圈在所述第一表面的投影超出所述第二u型分段内边缘在所述第一表面的投影。

9、进一步地，设置所述载流导体具有扁平的“工”字型分段。所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈关于所述“工”字型分段竖直部分的竖直中心线对称设置。所述第一组线圈、第二组线圈中所有绕线在第一表面上的投影均与所述“工”字型分段的竖直分段在第一表面上的投影存在重合部分。

10、为了所述基板上还设置有用于支持所述电流检测芯片的自检功能的激励线圈。所述激励线圈与感应线圈构成互感，在通入交流电时通过产生的磁场使所述第一组感应线圈、所述磁性传感器电路产生产生响应输出。所述感应线圈为所述第一组感应线圈，或由第一组、第二组感应线圈串联构成的感应线圈。所述激励线圈与所述感应线圈的磁互感耦合方式为：共抽头方式或隔离磁互感耦合方式。优选地，当采用隔离磁互感耦合方式时，所述激励线圈采用跟第一组感应线圈相同绕制方式，其包绕第一组感应线圈的最外层；激励线圈与感应线圈的层叠绕制可以在同层或者不同层进行。

11、优选地，所述电流检测芯片还集成有用于对感应线圈输出信号、磁性传感器电路的输出信号进行调理的信号调理电路。

12、进一步地，所述磁传感单元为磁电阻或霍尔传感器。当所述磁传感单元为磁电阻时，所述磁性传感器电路为每个桥臂上具有一个或多个磁电阻的半桥/全桥电路；所述磁电阻的灵敏方向均平行于第一表面，或垂直于第一表面。

13、当所述载流导体具有扁平的u型分段时，以所述基板第一表面的法线为坐标轴的z轴方向，以任一u型分段的一条臂中电流方向为y轴方向，通过以下方式将磁传感单元设置在所述基板的第一表面：

14、任一半桥两个桥臂上磁传感单元的灵敏方向均相同、平行于x轴方向或均反平行于x轴方向，由所述载流导体u型分段的电流产生的、在任一半桥两个桥臂上的磁传感单元所处位置的磁场分别具有平行于x轴方向、反平行于x轴方向的分量。或者任一半桥两个桥臂上磁传感单元的灵敏方向均相同、平行于z轴方向或均反平行于z轴方向，由所述载流导体u型分段的电流产生的、在任一半桥两个桥臂上磁传感单元所处位置的磁场分别具有平行于z轴方向、反平行于z轴方向的分量。

15、当所述载流导体具有扁平的“工”字型分段时，以所述基板第一表面的法线为坐标轴的z轴方向，以所述“工”字型分段竖直部分中电流方向为y轴方向。相应地，任一半桥两个桥臂上磁传感单元的灵敏方向均相同、平行于z轴方向或均反平行于z轴方向，由流经所述载流导体的“工”字型分段的电流产生的、在任一半桥两个桥臂上的磁传感单元所处位置的磁场分别具有平行于z轴方向、反平行于z轴方向的分量。

16、本发明基于芯片微制造工艺，将载流导体、相关的线圈、磁性传感器、信号调理芯片集成到一块电流检测芯片中，实现同时测量供电线路中的直流电流以及拉弧电流。感应线圈采用空心互感器耦合方式（不具有磁芯）实现，具有不饱和特性，抗大电流冲击，测量范围大、精度高，频率响应好，温度稳定性高，波形畸变小等优点。另外、部分实施例中还在感应线圈附近加入一组激励线圈用于实现芯片功能的自诊断。本发明提供的电流检测芯片工作稳定、测量精度高，且结构简单、加工精度高、成本低便于批量生产。

技术特征：

1.一种用于电力设备的电流检测芯片，其特征在于，所述电流检测芯片包括：载流导体，磁性传感器电路，设置有第一组感应线圈的基板；

2.如权利要求1所述的电流检测芯片，其特征在于，所述基板上设置有第二组感应线圈；所述第二组感应线圈围成的内部仅通过所述扁平的u型分段或所述“工”字型分段的竖直分段产生的、以第二方向穿过所述基板第一表面的磁场，所述第二方向与所述第一方向相反；所述第二组感应线圈与第一组感应线圈相互串联以抵消共模时变磁场的干扰。

3.如权利要求2所述的电流检测芯片，其特征在于，当所述载流导体具有扁平的第一u型分段时，所述第一组感应线圈沿着所述第一u型分段进行绕制，且其绕制平面为所述第一表面；所述第一组感应线圈的最外圈在所述第一表面的投影不超出所述第一u型分段外边缘在所述第一表面的投影，其最内圈在所述第一表面的投影超出所述第一u型分段内边缘在所述第一表面的投影。

4.如权利要求3所述的电流检测芯片，其特征在于，所述载流导体具有扁平的第二u型分段；所述第二u型分段与所述第一u型分段具有一条公共的臂，且两者开口朝向相反整体形成躺平的“s”型；所述第二组感应线圈的最外圈在所述第一表面的投影不超出所述第二u型分段外边缘在所述第一表面的投影，其最内圈在所述第一表面的投影超出所述第二u型分段内边缘在所述第一表面的投影。

5.如权利要求2所述的电流检测芯片，其特征在于，所述载流导体具有扁平的“工”字型分段；所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈关于所述“工”字型分段竖直部分的竖直中心线对称设置。

6.如权利要求1-5中任一项所述的电流检测芯片，其特征在于，所述基板上还设置有用于支持所述电流检测芯片的自检功能的激励线圈；所述激励线圈与感应线圈构成互感，在通入交流电时通过产生的磁场使所述第一组感应线圈、所述磁性传感器电路产生响应输出；所述感应线圈为所述第一组感应线圈，或由第一组、第二组感应线圈串联构成的感应线圈。

7.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，所述电流检测芯片还集成有对感应线圈输出信号、磁性传感器电路的输出信号进行调理的信号调理电路。

8.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，所述激励线圈与所述第一组感应线圈的磁互感耦合方式为：共抽头方式或隔离磁互感耦合方式；当采用隔离磁互感耦合方式时，所述激励线圈采用跟第一组感应线圈相同绕制方式，其包绕第一组感应线圈的最外层；激励线圈与感应线圈的层叠绕制可以在同层或者不同层进行。

9.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，所述磁传感单元为磁电阻或霍尔传感器。

10.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，所述磁传感单元为磁电阻，所述磁性传感器电路每个桥臂上具有一个或多个磁电阻的半桥/全桥电路；所述磁电阻的灵敏方向均平行于第一表面，或垂直于第一表面。

11.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，当所述载流导体具有扁平的u型分段时，以所述基板第一表面的法线为坐标轴的z轴方向，以任一u型分段的一条臂中电流方向为y轴方向，通过以下方式将磁传感单元设置在所述基板的第一表面：

12.如权利要求6所述的电流检测芯片，其特征在于，当所述载流导体具有扁平的“工”字型分段时，以所述基板第一表面的法线为坐标轴的z轴方向，以所述“工”字型分段竖直部分中电流方向为y轴方向；任一半桥两个桥臂上磁传感单元的灵敏方向均相同、平行于z轴方向或均反平行于z轴方向，由流经所述载流导体的“工”字型分段的电流产生的、在任一半桥两个桥臂上的磁传感单元所处位置的磁场分别具有平行于z轴方向、反平行于z轴方向的分量。

技术总结
本发明涉及磁传感器技术领域，提供了一种用于电力设备的电流检测芯片。该电流检测芯片包括：具有扁平的U型分段或“工”字型分段实现为引线框架的一部分的载流导体，用于检测载流导体中常规电流（包括直流电流以及低频大电流）的磁性传感器电路，设置有感应线圈的基板。所述感应线圈，用于检测载流导体中的拉弧电流。本发明提供的电流检测芯片，在芯片微制造工艺的基础上，合理设置各功能组件的形式和空间位置；不仅能同时检测直流、拉弧电流，还具有体积小、适用于逆变器等对元件空间有严格限制的电力设备。

技术研发人员：史卫平,张小军,李东风,郭海平,薛松生
受保护的技术使用者：江苏多维科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14