高精度、宽频、高稳定电流传感技术
By Kenta Ikeda，Senior Staff and Hidekazu Masuda，Senior Staff，Hioki E.E. Corporation
 
1.  前言
现在，在以功率调节器和变频器等功率转换系统为代表的功率电子领域，要求高精度、宽频的电流测量。我们公司从1971年发售钳形表CT-300(图1)以来，一直根据测量用途提供各种电流传感器(图2)。在本文中，我们聚焦于高精度、宽频的电流测量，针对我们公司的电流传感器的特长和电流测量的要点进行阐述。
 


 
2.  关于电流传感器的检测方式
电流传感器的检测方式虽然各式各样，但大多数都是根据被测导体内的电流流动，用卷线检测插入磁通的磁电转换元件和磁芯。但是，各种检测方式各有利弊，很难用一种方式来满足所有的检测要求。而我们公司结合两种方式，采取零磁通式（也被称为环闭式或磁平衡法）提供高精度、宽频的电流传感器。
 
零磁通式如图3、图4所示，是形成包括磁回路的负反馈电路，取消磁芯上因被测电流产生的磁通，向反馈线圈流动电流的方式。因为可以把工作磁通抑制到最小程度，所以具备能够把因磁性材料产生的非线性影响降低到最小程度的优点。

 
我们公司的高精度传感器如图3所示，是结合磁通门方式和变流器(CT)方式的零磁通方式。磁通门方式可以检测直流，因为是不使用半导体的检测方式，具有偏移电压比较小，温度稳定性、长时间稳定性好的特点。我们公司提供精度0.02%rdg，频宽3.5MHz的世界顶级水准的高精度和宽频电流传感器。而且，因为灵活运用了磁通门方式的高温稳定性，使得我们的产品可在-40℃～+85℃的温度范围内使用。
 
另一方面，宽频电流传感器如图4所示，采用结合霍尔元件和变流器(CT)方式的零磁通方式，提供从直流到最大120 MHz频宽的电流传感器。磁性检测的核心部件霍尔元件由我们公司自己生产，灵敏度高且干扰低，最适合与示波器搭配使用来观测微小电流的波形变化。
 


 
3.  电流传感器构造的区别
电流传感器在构造上分为贯通式和钳式两种。贯通式的磁芯没有分割面，磁芯周围容易得到均一的特性，因此可以构成非常高精度的电流传感器。但是，接线时需要把电源线从中穿过，所以必须要先切断电源，设备在工作的状态下无法进行接线。
 
另一方面，钳式的磁芯是分割构造，夹住电源线就可以进行测量，不需要像贯通式那样切断电源线，即使是在工作的状态下也很容易测量。但是，因为有分割面，磁芯周围很难得到均一的特性，一般来说钳式电流传感器测量精度较差，受导体位置的影响很大。因此，很难得到重现性良好的测量。而我们公司运用长年研发电流传感器的技术诀窍，提供即使是钳式也可以做到高精度测量的传感器，后面详细阐述。
 
4.  电流传感器的选型要点
电流传感器在进行高精度测量的时候，最重要的一点就是针对测量对象选择适合的电流传感器。
大多数的高精度电流传感器（精度0.1%以下）采用的都是电流输出，而我们公司的高精度电流传感器采用的是电压输出。一般来说，信号传输的品质以电流输出方式的优势比较多，而电流传感器方面电压的输出方式有利处比较多。下面我们将关于电压输出的有利之处和电流传感器的选型要点来进行叙述，请大家参考。
 
4.1电流传感器的额定值、测量频宽要适当
 
为了进行高精度的电流测量，选择适合测量对象电流范围的额定的电流传感器是很有必要的。比如用相同测量精度的10 A额定传感器和500 A额定的传感器来测量5 A的电流，10A额定的电流传感器的测量结果无论从精度还是从测量结果的重现性上都比较有利。我们公司的电流传感器是用真有效值规定额定电流，但是很多电流传感器都用峰值规定额定电流，因此需要注意。
 
另外，电流传感器的测量频宽是否可以覆盖测量对象全部的频率也是需要确认的。
 
4.2测量频率对振幅和相位都有精度规定
 
一般来说，和功率计搭配使用的高精度电流传感器大多数都是只规定了直流和工频(50 Hz/60 Hz)振幅的精度。关于相位的精度几乎都没有规定。一般的高精度电流传感器所用的电流输出，在高频下的振幅和相位的精度是很难规定的。因此除工频以外，大多数只公布有代表性的数据，需要注意。而我们公司因为采用的是电压输出，所有测量频宽范围内振幅和相位的精度都可以规定。正确的功率测量除了振幅精度以外，相位的精度也是非常重要的，特别是在选择用于功率测量的电流传感器的时候，选择规定相位精度的电流传感器是非常重要的。
 
4.3　通用性强
因为是电压输出的电流传感器，不仅是与功率计，与DMM、示波器、记录仪等都能简单地搭配使用，1个电流传感器可用于各种用途是其优点。
 
4.4　S/N比高
我们公司的高精度电流传感器，测量额定电流时设计为2V输出。例如，我们公司的CT6863(200　A额定)和功率计在测量AC 200A的情况下，输入功率计的是AC 2V。另一方面，因为电流输入式的功率计的输入部分里面内置分流电阻，即使电流传感器的输出传送的是电流，但最终还是转换成电压。使用变比1500:1的高精度电流传感器测量AC 200 A的情况下，因为通常分流电阻的阻值为0.5Ω或者0.1Ω，因此用功率计测量的电压为
133.3 mA×0.5 Ω=AC 66.65 mV
133.3 mA×0.1 Ω=AC 13.33 mV
用功率计测量的信号电平为2V和13.33 mV～66.65 mV，所以和电流输出的电流传感器相比S/N比更高。
 
4.5容易调整和校正
我们公司的电流传感器因为是电压输出，所以具有容易进行调整和校正的优点。因此，包括输出线在内也能规定精度。另外，包括输出线在内微小的电阻引起的电压下降也能进行调整。还可以定制标准长度以外的输出线。
我们公司的高精度电流传感器不仅适用于直流和工频，在高频领域也可以校正。以下是我们公司电流传感器校正的例子。各个频率点都进行可追溯性的校正。
振幅：±DC/50Hz/60Hz/1kHz/10kHz/100kHz/300kHz/700kHz/1MHz
相位：50Hz/60Hz/1kHz/10kHz/100kHz/300kHz/700kHz/1MHz
5.  高精度测量的注意点
基于长年进行电流传感器开发的经验，介绍一下用电流传感器进行高精度电流测量的注意事项。
5.1　把测量导体放到中心位置
不管哪个电流传感器，导体位置的影响都是存在的。影响的量随着测量频率有变大的倾向。即使是特性好的贯通式电流传感器，在10k Hz以上的高频的情况下，影响也会变的很大。电流传感器的厂家规定的精度一定是规定在电流传感器的中心位置。特别是测量高频电流的情况下，要进行高精度和高稳定的测量，最好考虑把测量导体放在电流传感器的中心位置。
5.2　电流传感器附近不要有邻近导体
电流传感器是检测被测导体电流流动时产生的磁场，因此即使不是测量对象，邻近导体有电流流动的时候多少也会受到影响。特别是高频电流的时候影响就更大。因此，为了进行高精度电流测量，尽可能让邻近导体远离电流传感器。特别是高频电流的影响很大，请将所有的电流传感器都会受到影响考虑在内再进行测量。
6.  高精度电流传感器精度的优势
我们公司的高精度电流传感器在测量频宽内所有的频率范围都对精度进行了规定。一般电流传感器的精度是以电流传感器的中心位置为标准。但是实际使用时把测量导体放在中心位置是件不容易的事情。
图5显示的是我们公司高精度传感器(CT6841)的频率特性和规格。根据频宽规定精度，即使导体位置发生变化，也可以符合规定的规格。
 另外，我们公司的高精度电流传感器对于精度规格保留了充足的余量，实际上拥有比规格参数更高的实力。
 


 
前面讲述了一般的钳式电流传感器，由于开口构造，精度和测量结果的重现性不是很好，在这一章节里将介绍图6所示我们公司的高精度钳式电流传感器CT6843(200 A额定)的特性的一部分。 图7～图9是和相同量程的我们公司的贯通式电流传感器CT6863(200 A额定)的特性比较。我们公司的钳式电流传感器具有与贯通式电流传感器非常接近的特性。可充分利用于高精度的功率测量。
 
钳式电流传感器之所以具备这样的性能，主要原因是除了开口部分以外，采用了周边均一以及将磁阻抑制到最小程度的开口构造。有意识的设计成和贯通式一样的磁芯周边均一的构造。
另外，我们公司的钳式电流传感器不仅重视性能方面，也重视操作性。从开关到锁定的动作可用单手轻松完成。而且在各种环境下都能使用，适用-40℃～+85℃的温度范围，在高温环境下的汽车发动机舱等严酷环境下使用也没有问题。
更加值得一提的是，我们公司提供的功率计是电流传感器专用设计。因此，功率计能够直接供电给电流传感器，并能够自动识别电流传感器。最适合与功率计组合进行高精度、宽频的功率测量。
　


 
8.  宽频钳式电流传感器
 

 
我们公司的宽频电流传感器，如前面所述与高精度的电流传感器相比有测量频率范围广，干扰低的优点。其中，我们公司提供的拥有最高的电流-输出电压转换率（以下称为输出率）和频率范围(图11) 的CT6701(图10)是最适合观测过渡响应电流波形和浪涌电流等高速响应波形，或含有各种各样频率成分的微小电流波形的电流传感器。
 
宽频电流传感器如前面所述，是使用薄膜霍尔元件零磁通方式的AC/DC电流传感器。核心的霍尔元件是采用我们公司自己开发生产的薄膜霍尔元件。
通过采用与以往产品相比大幅度降低干扰的薄膜霍尔元件，实现了输出率1V/A(是通常的10倍)和低干扰性。 图12显示的就是以往产品的比较。因此，对小型马达等汽车电气部件的控制电流mA波形，可以进行更精细的观测。另外， 具有120MHz(-3dB)的宽频，与示波器等波形观测仪器连接使用，可以观测到含有各种频率成分的电流波形。比如，用于观测功率转换和马达控制使用的开关回路的控制电流和负载电流，可观测高速脉冲开关的半导体器件的电流波形或纹波波形等。
 


 
9.  结语
本文聚焦于我们公司持续研发电流传感器超过40年，介绍了零磁通方式的检测原理，电流传感器的选型要点，以及使用时的注意事项和特性的一部分。在要求高精度、宽频电流测量的功率电子领域里，如果能在测量电流时对您有所参考帮助，对我们来说将会感到十分荣幸。