电流传感在电力电子电路的保护、控制和性能监测中至关重要
。由于基于碳化硅和氮化镓的宽带隙(WBG)半导体器件具备高功率密度和快速开关特性
，电流传感面临一些独特的挑战。

　　电流传感的关键要求与挑战

　　在电力电子中
，电流传感对于监控设备状态
、检测故障(如过电流和短路事件)至关重要，从而成为系统安全和电动负载驱动控制的重要组成部分。电流传感的一些关键要求包括：

　　全负载范围内的线性度和准确性

　　高带宽

　　快速响应时间

　　与被测电流隔离

　　小尺寸和易于系统集成

　　对电磁干扰(EMI)和快速电压瞬变(dV/dt)的高度免疫

　　低成本

　　通常，这些参数之间存在权衡关系，最佳传感器通常是特定于应用的。通常使用三种广泛的电流传感方法：

　　电阻式
：根据欧姆定律，这类传感器例如分流电阻或使用MOSFET的导通电阻。这些传感器小巧、便宜且易于实现
，但存在功率损耗、缺乏隔离和温度敏感性等问题。

　　直流磁力计：这类装置可利用安培定律以及麦克斯韦理论将磁场与被测电流相关联。霍尔效应用于测量在小间隙间的电压，该电压与被测电流成正比。开环霍尔传感器通常体积小
、隔离性好
、成本低且功耗低

，但在温度变化时增益漂移较大。闭环霍尔传感器包含反馈用于漂移调整
，具有更高的准确性

，但功耗、体积和成本较高
。通量门传感器利用磁核饱和创建一个闭环的高精度磁力计以进行直流电流传感，但可能对EMI敏感。

　　电感式传感器：使用法拉第电磁感应定律，通过线圈与被测导体之间产生的互感来感测交流电流。它们提供内在的隔离。电流变压器通常使用磁芯
，由于其抗噪声能力和低成本而被广泛使用
，但可能受到磁芯饱和和体积的限制。罗戈夫斯基线圈通常使用空气芯，并通过电子积分器补偿由此产生的增益损失。缺乏磁芯饱和
、小巧的尺寸和优良的线性度使其非常适合用于交流电流传感
。屏蔽型罗戈夫斯基线圈在EMI性能上有所改善，但带宽降低。基于偏振光的磁光电流传感通过穿过磁场中的磁光材料而发生法拉第旋转
，具有高抗EMI和温度波动的能力
，但带宽可能较低且成本较高。

　　无屏蔽PCB嵌入式罗戈夫斯基线圈

　　图1展示了罗戈夫斯基线圈电流传感器的基本原理图。传感器由线圈、终端、积分器和高通滤波器组成
。图1展示了频率响应。为了在高频感应中使用

，使用了小型终端电阻(Rt)，其作用是抑制耦合噪声并为线圈提供自集成
。Rt的值与带宽和灵敏度之间存在权衡
。小型寄生线圈电容(Cs)具有一定优势。低的Rt和Cs可以共同抑制由dV/dt引起的开关噪声过渡
，改善EMI抗干扰能力
，而无需屏蔽。积分器补偿了空气芯线圈的低增益。对整个传感器的仔细设计可以确保线圈和积分器的增益与拐角频率匹配
。所用运算放大器必须具有足够快的转换速率，以应对开关脉冲，并且具有低谐波失真
。通过在高通滤波器中使用适当选择的元件，可以消除直流和低频运算放大器的偏置电压。与模拟积分器的闭环设置可补偿热变化
。罗戈夫斯基线圈的感测范围通常受到运算放大器电源的限制;例如，在±5V电源上

，敏感度为10 mV/A，可以实现±500A的全量程
。

　　PCB罗戈夫斯基线圈可以直接集成到功率或驱动板中，并以低成本大规模生产。在这里，可用空间将决定尺寸和形状;然而，可以优化绕组结构以确保最佳性能。绕组的回路路径可以用来抵消在线圈回路外部产生的感应信号，从而提高传感器的准确性
。

　　使用罗戈夫斯基线圈的双向开关电流传感

　　差分绕组方法利用相同的导体折叠成两个线圈
，使得两个线圈中的电流方向相反
，从而抵消共模信号
。图2展示了传统的差分线圈方法
，该方法使用方形/环状分布方案
，以及作者在本研究中提出的修改技术。

　　使用双绕组的一个问题是寄生电容的增加。解决方案是使用更多的PCB层以最小化寄生效应。通过减少前向和回路绕组之间的交点数量和面积
，以及增加相邻绕组之间的距离，可以减少Cs并实现更宽的频率范围
。建模显示

，采用提出的绕组方案
，Cs从44 pF降至27 pF。实际上
，较小的互感(因此增益)的相关权衡在双向感测中产生了较低的灵敏度差异的优势。所提出的绕组的更对称分布使线圈终端在两个方向上面临相同的阻抗。由于较低的寄生电容带来的较低噪声改善了开关电流测量。

　　基于图2所示修改绕组的PCB嵌入式传感器的实验，采用双脉冲测试设置，使用SiC MOSFET在100 kHz和500 V下开关
，罗戈夫斯基线圈传感器放置在相反方向
。比较了图2中描绘的两种绕组方案。

　　如图3所示，双绕组表现更好，结果更对称
。传感器输出与商业电流探头进行了比较。

　　PCB嵌入式罗戈夫斯基线圈在电流传感中具有优良的一致性、隔离性
、易于集成和成本优势。基于罗戈夫斯基线圈传感器的参考设计实现了0.058%的线性度
，未经校准的准确度为2%
，带宽为20 MHz
，快速稳定时间为50 ns。使用差分双绕组可以降低线圈内的寄生元件，提高准确性和抗噪声能力。罗戈夫斯基线圈的一个缺点是缺乏直流测量能力
。为克服这一限制，已经提出了多种方法，包括将罗戈夫斯基线圈与微型通量门传感器结合使用的混合传感器

。

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