[發明專利]一種基于差分布線的PCB羅氏線圈電流感應器

有效

• 申請號: 201410282612.4
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104034943A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 舒正福;羅飛
• 申請（專利權）人: 深圳市中鵬電子有限公司
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R15/18;H01F27/28
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

技術領域

本發明涉及電流互感器，具體涉及一種新基于差分布線的PCB羅氏線圈電流感應器。

背景技術

基于目前的技術水平，在電子式電流互感器領域中，有源式空心線圈電流互感器的性能較為穩定，基本能夠滿足實用性的要求，所以得到了國內外電力行業的普遍重視，成為當前研究和應用的重點。

羅氏線圈（Rogowski?Coil，全稱羅哥夫斯基線圈，由于羅氏線圈不含鐵芯，也稱空心線圈）是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈，輸出信號是電流對時間的微分，通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流。該線圈具有電流可實時測量、響應速度快、無磁飽和問題，適用于大電流測試、幾乎沒有相位誤差、帶寬范圍大等的特點，故其可應用于繼電保護，可控硅整流，變頻調速，電阻焊等信號嚴重畸變以及電爐、短路測試、雷電信號采集等大電流的場合。

如圖1所示，傳統的羅氏線圈是將漆包線在（非磁性）骨架繞制而成的環形線圈，在輸出端通過積分電路將信號還原，其主要理論依據是法拉第電磁感應定律和安培環路定律，當待測載流導體與線圈平面垂直、且位于線圈中心時，由右手定則可知，待檢測的載流導體所產生的磁力線沿圓周方向，由于載流導體電流會變化，從而使穿過線圈的磁通量發生改變，進而導致線圈產生感應電動勢，線圈的輸出電壓V=-[(A.N.u)/l].di/dt，其中，A為線圈的截面積、N為線圈匝數、u為空氣磁導率、l=2πr，之后，通過對積分電路的測量反過來求出待測的載流導體的電流，詳細說明請參閱http://en.wikipedia.org/wiki/Rogowski_coil。

但由于線圈的繞制工藝，在批量生產時難于保證一致性（參數表現主要為電感量、阻抗等），難于保證其測量精度，需要對超出誤差的線圈進行單獨的修正，導致生產成本和售后費用飆升。同時線圈在寬溫度的工作環境下，由于溫度變化引起形狀變化（參數表現主要為電感量、阻抗等的變化），難于在寬溫度保證其測量精度，需在電路上進行溫度補償，為了不喪失帶寬，還需要阻抗的補償，其電路設計難度大、成本高。

上述羅氏線圈的問題可以通過PCB羅氏線圈克服，由于PCB羅氏線圈使用印制工藝，目前已經達到1mil的精度（1mil?=?25.4微米），很好的保證了批量生產的一致性。銅箔厚度和板材介電常數【FR4（FR4是一種耐燃材料等級的代號，所代表的意思是樹脂材料經過燃燒狀態必須能夠自行熄滅的一種材料規格）的介電常數為4.5，損耗角小于0.03）的一致性，很好的保證了阻抗的一致性。目前，FR4型電路板高頻響應能達800MHz（延時為光速的150%）。

另外，膨脹系數低的板材（FR4型大約為6ppm/℃）和高精度的銅箔布線，在批量產品中溫度引起的電感量和阻抗變化曲線是一致的，便于在電路進行相同的補償。

如圖2a、圖2b和圖2c所示，現有的PCB羅氏線圈（該PCB羅氏線圈的圖片來自于http://www.hindawi.com/journals/ame/2013/375301/fig2/?）是將一根漆包線繞制在環形的電路板上來形成PCB羅氏線圈，其計算模型如圖3所示，待測載流導體的電流為i（t）、線圈產生的電動勢為u、線圈的匝數為N、互感系數M、磁場強度H、μ0為PCB磁導率，利用安培（環路）定律?H(x)?=?i（t）/2πx，可推導出：

其中，

通過積分電路對線圈所產生的感應電動勢u的測量和檢測，從而反過來求出待測載流導體中的電流；其中，該計算模型的計算方式已在“中國電機工程學報、第28卷，第15期中，關于‘PCB空心線圈位置誤差分析與控制’”中進行了詳細描述，此處不作詳述。

但由于現有的PCB羅氏線圈多是把傳統的羅氏線圈在PCB的簡單復制，因此，現有的PCB羅氏線圈仍然不能克服易受到電磁干擾、抗干擾差、必須短距離傳輸信號等技術缺陷。

因而現有技術還有待改進和提高。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種基于差分布線的PCB羅氏線圈，采用差分布線代替現有的PCB羅氏線圈的單根走線，解決現有的PCB羅氏線圈存在的不能克服易受到電磁干擾、抗干擾差、必須短距離傳輸信號等技術缺陷。

為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案：