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电流感测技术

电流感测技术（current sensing）是电机工程及电子工程中感测电流的技术。所量测的电流小至数pA，大到上万安培。使用的电流感测方式会依电流大小、精确度、频宽、可靠度、成本、隔离需求以及大小而有所不同。所量测的电流可能直接显示在仪器上，或是利用其他装置，转换为数位的资料。

D'Arsonval/Weston型检流计的图。电流由线圈的+端流到−端。线圈会产生磁场，磁场会和永久磁铁产生的磁场相斥，进而使线圈及指针旋转。指针旋转的角度会和电流成正比。

电流感测技术可以使用shunt电阻、电流互感器（Current transformer）、罗氏线圈（英语：Rogowski coil）、应用磁场原理的传感器等。

电流感测器

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电流感测器是可以侦测导线内电流的装置，并且产生和电流成比例的信号。产生的信号可以是类比的电压或是电流信号，也可以是数位信号。产生的信号可以接到仪表（例如电流表）显示，可以储存在资料撷取系统中，作进一步的分析，也可以用在控制上。

感测电流以及输出信号可以是：

  • 交流输入
    • 类比输出，复制量测到的电流波形。
    • 双电源输出，复制量测到的电流波形。
    • 单电源输出，和量测电流的均方根值成正比。
  • 直流输入。
    • 单极性，配合单电源输出，复制量测到的电流波形。
    • 数位输出，在量测到电流超过一定值时进行切换。

电流感测的需求

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电流感测技术需要满足许多不同的需求，常见的需求如下：

  • 高灵敏度
  • 高精度及线性度
  • 频宽够宽
  • 可以量测交流及直流
  • 低温度漂移
  • 抗干扰
  • IC封装
  • 低耗电
  • 低价

技术

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霍尔效应电流感测器是由霍尔效应（由埃德温·霍尔在1879年发现）来感测电流，可以量测交流、直流或是脉冲电流。

电流感测器有广泛的应用，而且有不同的信号输出方式，可以再配合其应用进行处理，因此已应用在许多不同的产业中。

shunt电阻

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shunt电阻

根据欧姆定律，电阻的电压降和流经电阻的电流成正比。欧姆定律可以用来量测电流。依此原理制作的电流感测器有价格低，可靠度高的优点。

最常见及简单的电流量测是shunt电阻。Shunt电阻上的电压和其电流成正比。shunt电阻可以量测交流电流以及直流电流。若是要量测快速上升时间，且有大电流的暂态电流，会使用高性能的同轴shunt电阻，不过高度整合的电子设备会考虑尺寸以及其成本，因此会选择使用低成本的SMD shunt电阻[1]。

shunt电阻中的寄生电感会影响高精确度的电流量测。虽然此效应对阻抗大小的影响，在相对高频时才比较明显，但是会影响工频下的相位，在低功率因素时也会造成较大的误差。因著shunt电阻低价及高可靠度的特性，是电流量测系统常会用到的元件。shunt电阻主要的缺点是在本质上shunt电阻仍是电阻性的元件，其功率损失和通过电流的平方成正比，因此很少用在大电流的量测。

针对量测高冲击电流或大突波电流的快速响应，是对shunt电阻的常见要求。Malewski在1981年[2]设计了一个电路可以消除集肤效应，在1999年引入了flat-strap sandwich shunt（FSSS）[3]，产生了flat-strap三明治电阻。FSSS的特性在响应时间、功率损失和频率特性上都和shunt电阻类似，但凡其价格较低，其组装技术比Malewski shunt电阻或同轴shunt电阻要简单。

痕电阻量测

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导电元件（多半是印刷电路板上的铜箔）的本质电阻也可以取代shunt电阻，作为电流量测的元件[4]。因为不需要额外的电阻，此作法的好处是低成本，节省空间，而且也不会有额外的能量损失。因为铜箔的电阻很小，上面的电压降也很小，因此需要高增益的放大器，才能取得有用的信号。

电流量测的过程会受到许多物理效应的影响：像是铜箔的热漂移、铜箔电阻的初始条件等。因为热漂移较大，此作法不适合要有相当精确度的应用。为了克服热漂移相关的问题，可以用数位控制器来进行铜箔的温度漂移补偿以及校正[5]。此作法很大的缺点是无法避免的要在感测电流以及要量测电流之间建立电气连接。透过所谓的隔离放大器（英语：isolation amplifier），可以加入电气隔离。但放大器很贵，而且可能会破坏原来电流感测技术所得的频宽、精度及温度漂移。因此，若是低价，且需要电气隔离的应用，一些在本质上就提供电气隔离的电流感测技术会有比较好的效果。

以法拉第定律为基础的电流感测器

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法拉第感应定律提到：封闭电路上感应的总电动势和电路上的总磁通变化率成正比。这已应用在电流量测上。依照法拉第感应定律的电流感测器包括有电流互感器（英语：Current transformer）（CT）以及罗氏线圈（英语：Rogowski coil）。这类感1感测器在本质上可以提供量测电流和输出信号之间的电气绝缘，因此在一些要求电气绝缘的安全标准中，会强制使用这类的电流感测器。

电流互感器

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主条目：电流互感器（英语：Current transformer）
 
三相400A的电源供应设备中，量测用的电流互感器

电流互感器（Current transformer）是以变压器的原理运作，可以将一次侧的大电流转换为二次侧的电流，常用在交流大电流的量测系统中。此设备是被动设备，因此不需要额外的驱动电路。

电流互感器有另一个优点，可以在消耗电能很少的条件下，量测大电流。电流互感器的缺点是若一次测的电流很大，或是其中有相关的直流成份，会让电流互感器铁心用的铁磁性材料饱和，因此破坏输出的信号。另一个缺点是铁心磁化后会有的迟滞现象，精度会受到影响，需要消磁才能恢复其精度。

罗氏线圈

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主条目：罗氏线圈（英语：Rogowski coil）
 
罗氏线圈

罗氏线圈（Rogowski coil）也是依法拉第感应定律为基础，罗氏线圈的输出电压Vout是利用积分电路所得，和所量测到电流Ic的关系如下：

 

其中A是线圈的截面积，N是线圈匝数

罗氏线圈没有变压器中使用的高磁导率材料，因此其灵敏度较低。不过可以用增加线圈匝数，或是使用高增益的积分器来改善。线圈匝数增加会让电容和自感增加，积分器增益高就表示有放大器，以及高增益频宽的产品。在工程的考量，需要在这几项规格之间做取舍。

磁场感测器

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霍尔效应

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整合铁氧体磁环以及霍尔元件的感测器示意图
主条目：霍尔效应传感器

霍尔效应传感器是利用霍尔效应感测磁场的感测器。霍尔效应传感器可以针对电流互感器中的直流电流进行非接触的量测，其作法会将电流导体周围加上一个有气隙的磁芯，将霍尔感测器装置在气隙的位置[6]。因此可以量测直流的磁通量，也可以计算直流的电流。

当电流流经导体时，会在导体周围产生磁场。因此可以设计非接触式的电流感测器。此装置有三个端子，有二个端子提供感１测器电源，第三个端子会输出和电流成正比的电压。这种感测器有几个好处：在一次侧电路不需要额外的电阻（像最常见的shunt电阻量测法，在一次侧就会增加电阻），要感测电路上的电压不会送到感测器上，提升量测设备的安全性。

若将霍尔元件和铁氧体磁环整合，因磁场在铁氧体中的磁阻较小，可以让磁场集中在铁氧体磁环以霍尔元件上，提升磁通密度[7]，可以大幅减少周围杂散磁场的影响，影响程度是不加铁氧体磁环的百分之一。此组态也可以提升信噪比，比单纯的霍尔元件要好20倍。

fluxgate感测器

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fluxgate技术原理

fluxgate感测器，也称为可饱和电感电流感测器，其原理类似霍尔效应的电流感测器，用特殊的感测元件感测一次侧电流产生的磁场。其设计类似闭环的霍尔效应电流感测器，唯一的差异是感测元件，fluxgate感测器会用会饱和的电感代替霍尔效应感测器中放在气隙的霍尔元件。

fluxgate感测器原理是侦测电感的变化。可饱和电感是用小且薄的磁芯组成，上面绕有线圈。可饱和电感会在其饱和区工作。其设计原理是让外部和内部磁通密度影响其饱和程度。其饱和程度的变化会影响磁芯磁导率，最终会影响电感L。可饱和电感L的值在低电流时比较高（会是磁芯的磁导率），在高电流时会比较低（磁芯饱和时磁导率会变成1）。fluxgate感测器的特性和许多磁性材料的特性有关，会出现磁场强度H和磁通密度B之间的非线性关系[8]。

磁阻电流感测器

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参见：磁阻效应、巨磁阻效应和隧道磁阻

磁阻（magneto-resistor，简称MR）是一种二个端子的零件,其电阻会随磁场有抛物线的变化。磁阻的电阻随磁场的变化称为磁阻效应。可以建立磁阻结构，使其电阻变成施加磁场的函数。此结构可以用作磁感测器。一般而言，这些电阻会配置成电桥的组态，以补偿温度漂移的影响[9]。

常见以磁阻效应为基础的感测器有：异向性磁阻感测器（Anisotropic Magneto Resistance、AMR）、巨磁阻感测器（Giant Magneto Resistance、GMR）、巨磁阻抗（Giant Magneto Impendence、GMI）及隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance、TMR）。这些以磁阻效应为基础的感测器，其灵敏度比霍尔效应感测器高。此外，这些感测器（GMR、CMR及TMR）还是比霍尔效应感测器要贵很多，也有一些严重的缺点，例如非线性的特性、独特的热漂移，以及GMR在非常强的外部磁场下会永久破坏的问题。GMI和TMR的感测器其灵敏度比GMR感测器要高很多，目前只有少数厂商有能力量产（例如TDK、Crocus、Sensitec和MDT）[10]。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ Costa, F.; Poulichet, P.; Mazaleyrat, F.; Labouré, E. The Current Sensors in Power Electronics, a Review. EPE Journal. 1 February 2001, 11 (1): 7–18. ISSN 0939-8368. S2CID 113022981. doi:10.1080/09398368.2001.11463473. 
  2. ^ Malewski, R.; Nguyen, C. T.; Feser, K.; Hylten-Cavallius, N. Elimination of the Skin Effect Error in Heavy-Current Shunts. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1 March 1981,. PAS-100 (3): 1333–1340. Bibcode:1981ITPAS.100.1333M. ISSN 0018-9510. S2CID 43833428. doi:10.1109/tpas.1981.316606. 
  3. ^ Castelli, F. The flat strap sandwich shunt. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1 October 1999, 48 (5): 894–898. Bibcode:1999ITIM...48..894C. ISSN 0018-9456. doi:10.1109/19.799642. 
  4. ^ Spaziani, Larry. Using Copper PCB Etch for Low Value Resistance. Texas Instruments. 1997, DN–71. 
  5. ^ Ziegler, S.; Iu, H. H. C.; Woodward, R. C.; Borle, L. J. Theoretical and practical analysis of a current sensing principle that exploits the resistance of the copper trace. 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference. 1 June 2008: 4790–4796. ISBN 978-1-4244-1667-7. S2CID 22626679. doi:10.1109/PESC.2008.4592730. 
  6. ^ Petruk, O.; Szewczyk, R.; Salach, J.; Nowicki, M. Digitally Controlled Current Transformer with Hall Sensor. Advances in Intelligent Systems and Computing 267. Springer. 2014: 641. ISBN 978-3-319-05352-3. doi:10.1007/978-3-319-05353-0_61. 
  7. ^ Hall Effect Sensor | Applications Guide. www.allegromicro.com. [2023-12-28]. （原始内容存档于2023-12-28）. 
  8. ^ LEM International SA. High Precision Current Transducers Catalogue (version 1). June 2011. 
  9. ^ Ziegler, S.; Woodward, R. C.; Iu, H. H. C.; Borle, L. J. Current Sensing Techniques: A Review. IEEE Sensors Journal. 1 April 2009, 9 (4): 354–376. Bibcode:2009ISenJ...9..354Z. ISSN 1530-437X. S2CID 31043063. doi:10.1109/jsen.2009.2013914. 
  10. ^ From Hall Effect to TMR (PDF). Crocus Technology. August 2021 [2024-01-28]. （原始内容存档 (PDF)于2023-03-14）. 
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