電流傳感在電力電子電路的保護、控制和性能監測中至關重要。由于基于碳化硅和氮化鎵的寬帶隙(WBG)半導體器件具備高功率密度和快速開關特性，電流傳感面臨一些獨特的挑戰。

　　電流傳感的關鍵要求與挑戰

　　在電力電子中，電流傳感對于監控設備狀態、檢測故障(如過電流和短路事件)至關重要，從而成為系統安全和電動負載驅動控制的重要組成部分。電流傳感的一些關鍵要求包括：

　　全負載范圍內的線性度和準確性

　　高帶寬

　　快速響應時間

　　與被測電流隔離

　　小尺寸和易于系統集成

　　對電磁干擾(EMI)和快速電壓瞬變(dV/dt)的高度免疫

　　低成本

　　通常，這些參數之間存在權衡關系，最佳傳感器通常是特定于應用的。通常使用三種廣泛的電流傳感方法：

　　電阻式：根據歐姆定律，這類傳感器例如分流電阻或使用MOSFET的導通電阻。這些傳感器小巧、便宜且易于實現，但存在功率損耗、缺乏隔離和溫度敏感性等問題。

　　直流磁力計：這類裝置可利用安培定律以及麥克斯韋理論將磁場與被測電流相關聯。霍爾效應用于測量在小間隙間的電壓，該電壓與被測電流成正比。開環霍爾傳感器通常體積小、隔離性好、成本低且功耗低，但在溫度變化時增益漂移較大。閉環霍爾傳感器包含反饋用于漂移調整，具有更高的準確性，但功耗、體積和成本較高。通量門傳感器利用磁核飽和創建一個閉環的高精度磁力計以進行直流電流傳感，但可能對EMI敏感。

　　電感式傳感器：使用法拉第電磁感應定律，通過線圈與被測導體之間產生的互感來感測交流電流。它們提供內在的隔離。電流變壓器通常使用磁芯，由于其抗噪聲能力和低成本而被廣泛使用，但可能受到磁芯飽和和體積的限制。羅戈夫斯基線圈通常使用空氣芯，并通過電子積分器補償由此產生的增益損失。缺乏磁芯飽和、小巧的尺寸和優良的線性度使其非常適合用于交流電流傳感。屏蔽型羅戈夫斯基線圈在EMI性能上有所改善，但帶寬降低。基于偏振光的磁光電流傳感通過穿過磁場中的磁光材料而發生法拉第旋轉，具有高抗EMI和溫度波動的能力，但帶寬可能較低且成本較高。

　　無屏蔽PCB嵌入式羅戈夫斯基線圈

　　圖1展示了羅戈夫斯基線圈電流傳感器的基本原理圖。傳感器由線圈、終端、積分器和高通濾波器組成。圖1展示了頻率響應。為了在高頻感應中使用，使用了小型終端電阻(Rt)，其作用是抑制耦合噪聲并為線圈提供自集成。Rt的值與帶寬和靈敏度之間存在權衡。小型寄生線圈電容(Cs)具有一定優勢。低的Rt和Cs可以共同抑制由dV/dt引起的開關噪聲過渡，改善EMI抗干擾能力，而無需屏蔽。積分器補償了空氣芯線圈的低增益。對整個傳感器的仔細設計可以確保線圈和積分器的增益與拐角頻率匹配。所用運算放大器必須具有足夠快的轉換速率，以應對開關脈沖，并且具有低諧波失真。通過在高通濾波器中使用適當選擇的元件，可以消除直流和低頻運算放大器的偏置電壓。與模擬積分器的閉環設置可補償熱變化。羅戈夫斯基線圈的感測范圍通常受到運算放大器電源的限制;例如，在±5V電源上，敏感度為10 mV/A，可以實現±500A的全量程。

　　PCB羅戈夫斯基線圈可以直接集成到功率或驅動板中，并以低成本大規模生產。在這里，可用空間將決定尺寸和形狀;然而，可以優化繞組結構以確保最佳性能。繞組的回路路徑可以用來抵消在線圈回路外部產生的感應信號，從而提高傳感器的準確性。

　　使用羅戈夫斯基線圈的雙向開關電流傳感

　　差分繞組方法利用相同的導體折疊成兩個線圈，使得兩個線圈中的電流方向相反，從而抵消共模信號。圖2展示了傳統的差分線圈方法，該方法使用方形/環狀分布方案，以及作者在本研究中提出的修改技術。

　　使用雙繞組的一個問題是寄生電容的增加。解決方案是使用更多的PCB層以最小化寄生效應。通過減少前向和回路繞組之間的交點數量和面積，以及增加相鄰繞組之間的距離，可以減少Cs并實現更寬的頻率范圍。建模顯示，采用提出的繞組方案，Cs從44 pF降至27 pF。實際上，較小的互感(因此增益)的相關權衡在雙向感測中產生了較低的靈敏度差異的優勢。所提出的繞組的更對稱分布使線圈終端在兩個方向上面臨相同的阻抗。由于較低的寄生電容帶來的較低噪聲改善了開關電流測量。

　　基于圖2所示修改繞組的PCB嵌入式傳感器的實驗，采用雙脈沖測試設置，使用SiC MOSFET在100 kHz和500 V下開關，羅戈夫斯基線圈傳感器放置在相反方向。比較了圖2中描繪的兩種繞組方案。

　　如圖3所示，雙繞組表現更好，結果更對稱。傳感器輸出與商業電流探頭進行了比較。

　　PCB嵌入式羅戈夫斯基線圈在電流傳感中具有優良的一致性、隔離性、易于集成和成本優勢。基于羅戈夫斯基線圈傳感器的參考設計實現了0.058%的線性度，未經校準的準確度為2%，帶寬為20 MHz，快速穩定時間為50 ns。使用差分雙繞組可以降低線圈內的寄生元件，提高準確性和抗噪聲能力。羅戈夫斯基線圈的一個缺點是缺乏直流測量能力。為克服這一限制，已經提出了多種方法，包括將羅戈夫斯基線圈與微型通量門傳感器結合使用的混合傳感器。

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