CN104280600A - 检测器和电压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测器和电压变换器。用于检测待感测信号的电流的关注电流强度的出现的检测器包括磁阻结构和检测单元。所述磁阻结构取决于由待感测信号的电流引起的磁场而改变阻抗。此外，所述检测单元基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量来生成并提供指示关注电流强度的出现的电流检测信号。

Description

检测器和电压变换器
技术领域
实施例涉及电流检测概念领域，以及尤其涉及一种实施电流检测的检测器，电压变换器和方法。
背景技术
在许多应用中，可靠并精确地检测信号内的关注电流强度的出现是一项重要的任务。例如，电力电子领域中一直增加的要求导致更高的开关频率和更复杂的布局。如果能够保证电力开关只有在电流的零交叉才被开关，则能够提供构成极其高效的电压变换器的可能性。进入兆赫兹区域的开关频率引起由信号形状的对应分辨率所得到的数纳秒的必要时间采样率。换句话说，应精确并且非常快速地测量现代、高效的开关电压变换器中的零电流交叉(或者零电流检测，ZCS)。
发明内容
实施例涉及一种用于检测待感测信号的电流的关注电流强度的出现的检测器。所述检测器包括磁阻结构和检测单元。磁阻结构被配置以取决于由待感测信号的电流引起的磁场来改变阻抗。检测单元被配置以基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量来产生并提供指示关注电流强度的出现的电流检测信号。
磁阻结构包括对改变的磁场的非常快速地响应。因此，使用磁阻结构，能够提供非常快速的电流检测。结果，能够在时间上非常精确地分辨关注电流的出现。以这种方式，能够实现精确的零电流检测或短路的检测。此外，能够容易地提供电势分离。更近一步地，能够以低工作量来实现提出的结构。
一些实施例涉及一种检测待感测信号零电流的零电流检测器。该设备包括磁阻结构和检测单元。磁阻结构被配置以取决于由待感测信号的电流引起的磁场，来改变阻抗。检测单元被配置成基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示待感测信号的零电流的零电流检测信号。
磁阻结构包括对改变的磁场的非常快速地响应。因此，使用磁阻结构，能够提供非常快速的零电流检测。结果，能够在时间上非常精确地分辨零电流交叉。此外，能够容易地提供电势分离。更进一步地，能够以低工作量来实现提出的结构。
在一些实施例中，实现磁阻结构，以使得阻抗的改变是基于巨磁阻效应或隧道磁阻效应的。这种结构可提供非常高的时间分辨率。
在一些实施例中，在同一半导体管芯上，制造磁阻结构和被配置以承载待感测信号的电导电线。以这种方式，能够提供高度集成，节省空间的电路。
一些实施例涉及一种包括输入单元、磁阻结构、检测单元和变换器单元的电压变换器。输入单元被配置以接收待变换的电压信号。磁阻结构被配置以取决于由待变换的电压信号，或者通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号引起的磁场，来改变阻抗。此外，检测单元被配置以基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示在待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号之内，关注电流强度的出现的电流检测信号。变换器单元被配置以基于电流检测信号，把待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号变换成变换电压信号。
通过使用用于检测待变换的电压信号或处理电压信号的关注电流强度的出现的磁阻结构，能够非常精确并且高时间分辨率地检测电流。因此，能够以增加的效率来变换电压信号。
一些实施例涉及一种包括输入单元、磁阻结构、检测单元和变换器单元的电压变换器。输入单元被配置以接收待变换的电压信号。磁阻结构被配置以取决于由待变换的电压信号，或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号引起的磁场，来改变阻抗。检测单元被配置以基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号的零电流的零电流检测信号。此外，变换器单元被配置以基于零电流检测信号，把待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号变换成变换电压信号。
通过使用用于检测待变换的电压信号或处理电压信号的零电流的磁阻结构，能够非常精确并且高时间分辨率地检测零电流。因此，能够以增加的效率来变换电压信号。
附图说明
下面将参考附图，仅通过举例的方式描述设备和/或方法的一些实施例，其中：
图1示出零电流检测器的示意图。
图2a示出取决于所施加的磁场而改变的磁阻结构的阻抗的示意图。
图2b示出取决于所施加的磁场而改变的磁阻结构的阻抗的另一个示意图。
图3示出待感测信号和所得到的零电流检测信号的示意图。
图4a示出具有磁阻结构的半导体管芯的示意横截面图。
图4b示出图4a的横截面的细节的电子显微镜图像。
图4c示出磁阻结构的示意图。
图4d示出用于调节磁阻结构最大灵敏度范围的调节模块的示意图。
图5示出电压变换器的示意图。
图6a示出另一个电压变换器的示意图。
图6b示出另一个电压变换器的示意图。
图7a示出电压变换器的一部分。
图7b示出在图7a中所示的电压变换器的一部分中，用于磁阻结构的可能位置。
图8示出用于实施零电流检测的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考其中图解说明一些示例实施例的随附附图，更充分地描述各种示例实施例。图中，为了清楚起见，可以夸大线、层和/或区域的厚度。
相应地，虽然示例实施例允许各种修改和替换地形式，不过在附图中例示的方式显示并且这里详细描述其实施例。然而应理解，并不意图把示例实施例限制于公开的特殊形式，但是相反，示例实施例覆盖落入在本公开的范围内的所有修改、等同物和替换方案。贯穿于图的中，相同的编号提及相同或类似的元件。
应理解，当元件被提及是“连接”或“耦接”到另一个元件时，它能够被直接连接或耦接到其它元件，或者可以存在***元件。相反，当元件被提及是“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，则不存在***元件。应以类似的风格解释用于描述元件之间关系的其它用语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”相对，“邻近”与“直接邻近”相对等)。
这里使用的术语只仅仅是为了描述具体实施例的目的，并且并不意图限制示例实施例。如这里使用的单数形式“一”，“一个”和“这个”也意图包括复数形式，除非上下文明确地指示别的方式。应进一步理解，当术语“包含”，“包含有”和/或“包括”，“包括有”在这里使用时，明确说明陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或附加。
除非以别的方式限定，否则这里使用的所有用语(包括技术和科学用语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应进一步理解，用语(例如，在普通使用的词典中限定的那些用语)应被解释成具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应被理想化地或者过度正式地意义，除非这里被特别地这样限定。
图1示出根据实施例的用于检测待感测信号102的电流的关注电流强度的出现的检测器100或电流检测器的示意图。检测器100包括磁阻结构110和检测单元120。检测单元120连接到磁阻结构110。磁阻结构110取决于由待感测信号的电流引起的磁场，来改变阻抗。此外，检测单元基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示关注的电流强度的出现，或者指示待感测信号的电流是否包括关注的电流强度的信息的电流检测信号。
磁阻结构包括对改变的磁场非常快速的响应。因此，通过使用磁阻结构，能够提供非常快速的电流检测。结果，能够在时间上非常精确地分辨关注电流的出现。以这种方式，能够实现精确的零电流检测或短路的检测。此外，能够容易地提供电势分离。更近一步地，能够以低工作量来实现提出的结构。
可以各种方式实现磁阻结构110。例如，独立于精密的配置，这样的磁阻结构可基于施加于磁阻结构110的磁场，来改变电阻抗。例如，磁阻结构110可包括至少一个磁性层(例如包括或由磁性材料组成)。基于这样的磁性层，能够实现基于各向异性磁阻效应的磁阻结构。替换地，磁阻结构110至少可包括被布置在第一磁性层和第二磁性层(或者更多这样的层)之间的非磁性层(例如，包括或由非磁性材料组成)，以使得该叠层的阻抗取决于由待感测信号102的电流引起的磁场而改变。换句话说，磁阻结构110可以通过交替的磁性层(例如，铁)和非磁性层的叠层来实现。
例如，非磁性层(例如，铬)可以是电导电层，以使得阻抗的改变是基于巨磁阻效应的。替换地，非磁性层可以是电绝缘层(例如，氧化镁)，以使得阻抗的改变是基于隧道磁阻效应的。
这样的磁阻结构110的电阻抗取决于在磁阻结构110的位置处的磁场而改变或者作为在磁阻结构110的位置处的磁场的函数而改变。磁场可由任意源引起。然而，与远离磁阻结构110的源相比，在磁阻结构附近的源贡献了在磁阻结构110位置处的磁场的显著更大的部分。因此，磁阻结构110可被置于待感测信号102的附近。例如，与磁场的其它源相比，可以更接近于承载待感测信号102的电导电元件或电导电线地放置磁阻结构110，以使得在磁阻结构110的位置处的磁场主要(例如，超过50，超过70%，或者超过90%)由待感测信号102的电流引起。
在磁阻结构110的位置处，越高的电流造成越大的磁场，在磁阻结构110的位置处，越低的电流造成越低的磁场。例如，如果在磁阻结构110的位置处不存在磁场的话，则磁阻结构110可包括最高的电阻抗。结果，如果待感测信号102可包括零电流状态或零电流交叉，则这样的磁阻结构110可包括最大的电阻抗。
图2a中示出了磁阻结构的电阻抗(例如，关于在零磁场下的阻抗)与在磁阻结构110的位置处的磁场的依存关系的示例。示出了用于磁阻结构110的不同配置的三个示例。例如，可以获得无磁场状态下的高达80%的阻抗的增加。替换地，磁阻结构110可包括在其它非零磁场下的一个或多个最大值或最小值。这可能受磁阻结构的各层的材料和厚度影响。
此外，图2b示出具有可能的磁滞现象的GMR传递特性的示例。曲线图示出GMR结构的阻抗随GMR结构处的磁场的改变。例如，考虑到归因于磁滞现象的平均阻抗RB0，在磁场强度B15%和磁场强度B85%之间，获得阻抗的最大灵敏度或最大改变的范围，磁场强度B15%指示引起GMR结构的最大阻抗Rmax的15%的阻抗R15%的磁场，磁场强度B85%指示引起GMR结构的最大阻抗Rmax的85%的阻抗R85%的磁场。
例如，最大灵敏度的范围可以是包括最高阻抗改变的磁场范围，或者可以包括阻抗的近似线性的改变。
以这种方式，可以感测任意电信号的电流状态(例如，预定电流强度，零电流状态或零电流交叉)，并且能够提供对应的电流检测信号122。
待感测信号102的电流的关注电流强度可以是由待感测信号102的电流达到的任意电流强度。例如，关注的电流强度可取决于设备100的应用。例如，设备100可用于检测电电路内的临界电流，或者信号的零电流。如果检测到临界电流强度，则电流检测信号122可用于触发安全措施，或者如果检测到零电流，则可触发晶体管的开关。
检测单元120基于磁阻结构110的改变的阻抗的检测量，来产生电流检测信号122。改变的阻抗的量可以是指示磁阻结构110的阻抗大小的值。换句话说，检测单元120可反复(例如，连续地或者间隔任意时间地)测量磁阻结构110的阻抗，或者可产生指示所述阻抗或者与阻抗成比例，或者取决于阻抗的信号。既然磁阻结构110的阻抗取决于施加于磁阻结构110的磁场的强度，并且所述磁场取决于待感测信号102的电流强度，则基于该磁阻结构110的改变的阻抗的量的检测，能够识别待感测信号102内电流状态。
零电流检测信号122指示待感测信号102的关注电流强度。电流检测信号122可以各种方式，含有关于电流的该信息(例如，零电流状态或零电流交叉)。例如，电流检测信号可以是在磁阻结构110的阻抗的检测量对应于待感测信号102的电流的关注电流强度时，包括峰值的数字或模拟信号。
例如，通过产生指示磁阻结构110的阻抗的传感器信号，检测单元120可检测磁阻结构110的改变的阻抗的量。可以比较传感器信号和预定阈值，所述预定阈值指示在待感测信号102的电流的关注电流强度下或者接近于待感测信号102的电流的关注电流强度下的磁阻结构110的阻抗(例如，在待感测信号的电流的关注电流强度下，具有与磁阻结构110的阻抗的偏差小于10%，小于5%或者小于1%的偏差)。换句话说，检测单元110可测量磁阻结构110的电阻抗，以及比较测量的阻抗和指示参考值的预定阈值，所述参考值表示在电流的关注电流强度下或接近于电流的关注电流强度下的阻抗。为此，检测单元120可选地包括产生传感器信号的阻抗测量单元，和比较传感器信号与预定阈值的比较器。
可能仅仅检测在待感测信号102的时间进程期间出现的一些电流状态就充分了。替代地，检测单元120可产生指示待感测信号102的电流的每个关注电流强度(例如，零电流交叉)的时间出现的电流检测信号102。以这种方式，待感测信号102的电流状态的时间出现可用电流检测信号122表示或提供。
图3示出待感测信号310(随着时间改变的电流)和所得到的电流检测信号320(随着时间改变的电压)的示例，如果关注的电流强度是待感测信号310的零电流。所示示例是基于GMR的零电流检测的定性模拟。例如，该图图解电流310和等同于阻抗改变的信号320的信号形状。
零电流检测器100可用于包括具有低频(例如，50Hz)的关注电流状态的待感测信号102。然而，既然磁阻结构110允许对磁场改变非常快速的响应，则所提出的检测器100也可用于含有具有频率非常高(例如，大于1 kHz，大于100 kHz或者大于1 MHz)的关注电流状态的信号。换句话说，待感测信号102可包括具有大于1 kHz或者甚至大于1 MHz的频率的关注电流状态。
提出的检测器100可以用于各种配置中。检测器100的磁阻结构110可被放置在接近于承载待感测信号102的任意电导电元件(例如，布线或电导电线)。待感测信号102和检测器100可以是独立的电路的一部分，并且结果，可以独立于承载待感测信号102的电导电元件地制造检测器100。
替换地，检测器100可被放置在和承载待感测信号102的电导电元件相同的半导体管芯上。换句话说，可在同一的半导体管芯上，制造磁阻结构110和被配置以承载待感测信号102的电导电线。以这种方式，磁阻结构110可以置于非常接近于待感测信号102之处，以使得能够提供精确限定的环境，并能够获得高精度。磁场的其它源的影响可忽略不计。此外，可以普通地制造检测器100和待感测信号的线路，以使得成本能够被保持为低。
图4a示出图解说明检测器的磁阻结构(XMR)410和承载待感测信号的电导电线420的半导体管芯400的示意横截面的示例。在半导体管芯400的金属间氧化物层430和钝化层440之间，制造磁阻结构410。直接在磁阻结构410之下，制造最接近于磁阻结构410的电导电线420的一部分，同时金属间氧化物层430在中间。半导体管芯400可选择地包括由金属间氧化物层460分隔的一个或更多的附加金属层450。可在半导体管芯400的半导体衬底470上制造叠层，以使得能够实现集成电路的大的改变。
图4b示出图4a中所示的横截面的细节。所述细节示出通过钨通孔432(W-via)，连接到下面的金属层422的磁阻结构410(GMR)。
图4a和/或图4b的示例可表示用于巨磁阻结构(GMR)的整体集成概念。把所示的原理结合到电力开关技术中也是可能的。
为了各种目的，把电流检测信号122提供给外部电电路(例如，在另一个半导体管芯上制造的电路)，或者提供给在同一半导体管芯上的电电路。
例如，检测器100或外部电电路可包括开关元件(例如，场效应晶体管或双极晶体管)。这种情况下，检测单元120可把电流检测信号122提供给开关元件，以使得由待感测信号102的电流的关注电流强度(例如，零电流状态或零电流交叉)的出现，来触发开关元件的开关。换句话说，为了使开关元件的开关和关注的电流状态的出现同步，检测器100可检测由待感测信号102包含的电流状态的关注电流强度的时间出现。
可选择地，替换地或附加于上面提及的一个或多个方面，通过使用磁阻结构110，检测器100可提供关于待感测信号102的进一步信息。例如，检测单元120可产生指示关于待感测信号102的磁场强度或电流强度的信息的测量信号。零电流检测信号122和测量信号可以是独立的信号，或者可以是包括关于待感测信号102的电流的关注电流强度的信息和关于待感测信号102的磁场强度或电流强度的信息的相同信号。以这种方式，磁阻结构110可用于获得关于待感测信号102的更多信息。
可选择地，替换地或附加于上面提到的一个或多个方面，磁阻结构110可至少部分被承载待感测信号102的电感器围绕。换句话说，承载待感测信号102的电导电元件可建立线圈。磁阻结构102可被放置在线圈中，以使得磁阻结构110暴露在电感器内的强电场之下。既然可以把由其它源引起的磁场的影响保持为低，则以这种方式，能够更精确地检测待感测信号102的电流状态的关注电流强度的出现。
此外，检测单元120可选择地产生指示电感器的状况(例如，电感器的饱和)的状况信号。类似于可选择的测量信号，状况信号可以独立于电流检测信号122，或者电流检测信号122可附加地包括状况信号的信息。
如已经提及的(例如，图2a，2b)，磁阻结构102可包括在归因于磁阻结构102的结构(例如，叠层和材料选择)，或者静态或动态偏置的磁场的各种范围中的最大灵敏度的范围。
换句话说，磁阻结构可被配置以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度的范围中。例如，如果关注的电流强度是零电流，则可以使用与图2a相关被提及的结构。如果关注的电流强度不为零，或者在磁阻结构的位置，存在附加的干扰场，则可以通过在磁阻结构(例如，传感器)处施加磁场，来施加特定的磁偏移。例如，可在磁阻结构附近布置磁性元件或磁性层，或者可在磁阻结构附近布置电导电元件，并向电导电元件施加偏置信号，来引起偏置磁场。以这种方式，可以移动磁阻结构的最大灵敏度，以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度范围中。以这种方式，能够非常精确地检测关注的电流强度。
替换地，设备可包括调节模块，所述调节模块被配置以调节磁阻结构的最大灵敏度的范围，以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度的范围中。例如，调节模块可向电导电元件提供上面提及的偏置信号。
替换地，磁阻结构可用如图4c中所示的包括四个磁阻元件R1，R2，R3，R4的传感器桥实现。此外，调节模块490可用多个熔断器(例如，可使用激光切割熔断或者用电熔断)实现。第一个磁阻元件R1连接到供给电压Vb和第一差分输出Vn，第二个磁阻元件R2通过调节模块490的第一组熔断器接地，并连接到第一差分输出Vn，第三个磁阻元件R3通过调节模块490的第二组熔断器连接到供给电压Vb和第二差分输出Vp，以及第四个磁阻元件R4接地，并连接到第二差分输出Vp。第一差分输出Vn和第二差分输出Vp可以是指示磁阻结构的阻抗的传感器信号。熔断器可用于移动最大灵敏度的范围，以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度的范围中。以这种方式，能够非常精确地检测关注的电流强度。
替换地，可以实现磁阻结构的最大灵敏度的范围的可改变的移动，为了由同一线路检测关注的不同电流强度。图4d示出根据实施例的检测器550。 磁阻结构560包括4四个磁阻元件GMR1，GMR2，GMR3，GMR4。第一个磁阻元件GMR1(例如，布置在第一侧，左边)连接到供给电压和第一差分输出，第二个磁阻元件GMR2(例如，布置在第二侧，右边)接地，并且连接到第一差分输出，第三个磁阻元件GMR3(例如，布置在第二侧)连接到供给电压和第二差分输出，以及第四个磁阻元件GMR4(例如，布置在第一侧)接地，并且连接到第二差分输出。
第一差分输出和第二差分输出被提供给检测单元570的差分到单变换模块572，差分到单变换模块572基于差分信号，产生指示磁阻结构的电阻的单一信号。检测单元570还包括配置成结合所述单一信号和调节信号(例如，通过加或减所述信号)的组合器574，和用于放大组合信号的前置放大器模块576。为了产生指示待感测信号的电流是否包括关注的电流强度的信息的电流检测信号579，放大的信号被提供给比较器578，比较器578比较放大的信号和预定阈值(例如，零)。
此外，检测器550包括数字核芯模块590，数字核芯模块590把电流检测信号579提供给用于提供电流检测信号579的接口模块595。此外，数字核芯模块590可触发使用偏移数模变换器(偏移DAC)实现的调节模块580，以使得调节模块580产生给组合器574的调节信号，为了移动磁阻结构的最大灵敏度的范围。可对于关注的不同电流强度，移动磁阻结构的最大灵敏度，以使得可以由比较器578使用的恒定的预定阈值，来检测关注的不同电流强度。
接口模块595包括用于提供电流检测信号，和用于连接到地电势GND和电源电势VDD的接口。此外，接口模块595可包括用于ESD(静电放电)保护的元件。
供给电压VDD可被提供给控制检测器550的电力电源的电力管理单元562。例如，电力管理单元562通过带隙偏置模块564，向磁阻结构560提供供给电压。
图4d可示出基于磁场开关的差分GMR的电子开关点调节。这是偏置的可能性，这使得可由分析线路电子地调节开关点(例如，电压变换器的)。可以实现开关阈值的偏移量校正或调节。例如，DAC被用于由数字逻辑来调节开关点。以这种方式，在操作期间，开关点也可被调节。
例如，检测器100可以是用于根据实施例的检测待感测信号102的信号的零电流(例如，表示关注的电流)的零电流检测器。零电流检测器包括磁阻结构110和检测单元120。检测单元120连接到磁阻结构110。磁阻结构110取决于由待感测信号102的电流引起的磁场，来改变其阻抗。检测单元120基于磁阻结构110的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示待感测信号102的零电流的零电流检测信号122。
就此而论，信号的零电流意味着信号102的时间进程内的无电流流动的状态。例如，对振荡信号来说，在信号的每个零电流交叉或零电压交叉处，可以达到这样的零电流状态。例如，对在仅仅一个方向上的直流电流(DC)来说，可不时地达到这样的零电流状态，其中不对承载待感测信号102的电导电线的端点施加电压差。
如已经提及的，提出的检测器100可以用在各种应用中。例如，电压变换器可以使用零电流检测信号含有的关于信号的零电流状态的信息，来触发信号的电压变换。
一些实施例涉及半导体器件内的关注的电流强度的检测，用于条件监测，或者开关触发，或者短路检测。换句话说，半导体器件可包括根据上述的概念或者一个或多个实施例的检测器。例如，配置开关大于1W，大于10W，大于100W或者大于1000W的电力，配置开关大于10V，大于100V或者大于1000V的电压，或者包括大于10V，大于100V或大于1000V的阻断电压的电力半导体器件可包括提出的检测器。
例如，根据实施例的绝缘栅双级晶体管器件(IGBT)可包括根据上述的概念或者一个或多个实施例的检测器。例如，接近于绝缘栅双极晶体管器件的金属层来布置磁阻结构(例如，连接到IGBT的源极区域)，以使得短路可被检测器检测。
图5示出根据实施例的电压变换器500的示意图。电压变换器500包括输入单元510，磁阻结构520，检测单元530和变换器单元540。输入单元510连接到变换器单元540，以及检测单元530连接到磁阻结构520和变换器单元540。输入单元510接收待变换的电压信号502，以及磁阻结构取决于由待变换的电压信号502，或者通过处理待变换的电压信号502而获得的处理信号512引起的磁场来改变阻抗。此外，检测单元530基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供电流检测信号532，电流检测信号532指示关于待变换的电压信号502或通过处理待变换的电压信号502而获得的处理信号512的电流是否包括关注的电流强度的信息，或者指示待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号内的关注电流强度的出现。基于磁阻结构520的改变的阻抗的检测量，来产生电流检测信号532。变换器单元540基于电流检测信号532，把待变换的电压信号502或通过处理待变换的电压信号502而获得的处理信号512变换成变换电压信号542。
通过使用用于检测待变换的电压信号或处理电压信号的电流(例如，零电流) 的磁阻结构，能够非常精确并且以高的时间分辨率检测电流。因此，能够以增加的效率变换电压信号。
输入单元510可以是用于把待变换的电压信号502提供给电压变换器500的连接器，引脚或输入接口(例如，芯片封装的引脚或球，或者半导体管芯的焊盘)，和/或输入单元510可选择地包括用于预处理待变换的电压信号502(例如，平滑所述信号)的输入线路。结果，输入单元510可把待变换的电压信号502本身，或者通过处理(例如，平滑)待变换的电压信号502而获得的处理信号512提供给变换器单元540。
待变换的电压信号502表示或提供将由电压变换器500变换的输入电压。此外，变换电压信号542表示或提供电压变换器500的输出电压。
例如，可沿着输入接口(例如，在处理之前)和变换器单元540之间的信号路径，或者在变换器单元540内放置磁阻结构520，以使得磁阻结构520取决于待变换的电压信号502或者处理的信号512的电流，来改变电阻抗。
变换器单元540基于电流检测信号532，来变换待变换的电压信号502或者处理信号512。换句话说，变换器单元540可基于待变换的电压信号502或处理信号512所含有的关注电流状态的时间出现，来变换信号。电压变换器100可以以各种方式，来变换待变换的电压信号502。例如，变换器单元540可对待变换的电压信号502整流，来获得变换电压信号542。
附加地，与零电流检测器概念或实施例，以及尤其是上面的磁阻结构和/或检测单元相关被提供的说明和描述也可应用于或者适用于电压变换器500。换句话说，磁阻结构520和/或检测单元530可选择地包括与上面提及的概念或者一个或多个实施例相关被描述的所提及的特征中的一个或多个特征。就此而论，待变换的电压信号502或处理信号512可以是待感测信号。
例如，变换器单元540可包括至少一个开关元件，所述至少一个开关元件被配置以开关待变换的电压信号502或通过处理待变换的电压信号502而获得的处理信号512。此外，检测单元530可把电流检测信号532提供给开关元件(例如，晶体管的栅极)，以使得由待变换的电压信号502，或者通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号512的电流的关注电流强度的出现，来触发开关元件的开关。换句话说，通过在电流检测信号532指示待变换的电压信号502或处理信号512的电流的关注电流强度的出现的时候，开关待变换的电压信号502或处理信号512，可以进行待变换的电压信号502的变换。这样，能够效率增加地实现待变换的电压信号502的变换。
图6a示出根据实施例的电压变换器600的示意图。电压变换器600包括提供用于接收待变换的电压信号的输入接口的输入单元510。此外，变换器单元540基于H-桥配置。在这个示例中，变换器单元540包括H-桥配置中的四个开关元件642(例如，场效应晶体管)和电感器644(例如，线圈)。磁阻结构520在电感器644和两个开关元件642之间，位于变换器单元540内。因此，由磁阻结构520感测通过处理(例如，至少使用电感器)待变换的电压信号而获得的已经变更的和以这种方式处理的信号。检测单元530把电流检测信号或者(例如，通过移相)从电流检测信号得到的信号，提供给开关元件642，以使得由检测单元530触发开关元件642的开关。变换器单元540提供变换电压信号542，作为输出。例如，关注的电流强度为零电流，以使得如果出现零电流状态，则开关元件642的开关被触发。
开关元件642可以是例如电力晶体管。变换器单元540可选择地包括基于由检测单元530提供的电流检测信号，来产生电力晶体管的栅电压的驱动器线路。
图6a示出在无用于电力因数校正(PFC)的变压器的布局下的测量原理的示例。
类似地，提出的原理可应用于使用用于控制次级侧电力元件的变压器的布局。图6a示出根据实施例的电压变换器650的示意图。电压变换器650包括提供用于从外部电压源658接收待变换的电压信号的输入接口的输入单元660。此外，输入单元包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，第一电感器Lr，第二电感器Lm和电容器Cr。变换器单元690包括连接到输入单元660的变压器TX，第一晶体管S1，第二晶体管S2(同步整流晶体管)和输出电容器Co。变换器单元690把变换电压信号Vo提供给外部负载RL。变压器TX包括初级侧电感器和次级侧电感器。初级侧电感器和输入单元660表示电压变换器650的初级侧，以及变换器单元690的剩余部分表示电压变换器650的次级侧。电压变换器650的第一晶体管S1连接到次级侧电感器的第一端子，第二晶体管S2连接到次级侧电感器的第二端子。第一磁阻结构670被布置在介于第二晶体管S2和次级侧电感器之间的电连接附近，以及第二磁阻结构672被布置在介于第一晶体管S1和次级侧电感器之间的电连接附近。因此，使用磁阻结构520感测通过处理(例如，至少由感器)待变换的电压信号而获得的已经变更的和以这种方式处理的信号。检测单元680(例如，用于两个磁阻结构的一个单元，和用于磁阻结构的两个独立单元)把电流检测信号或者(例如，通过移相)从电流检测信号得到的信号，提供给第一晶体管S1和第二晶体管S2，以使得由检测单元530触发开关元件642的开关(例如，在磁阻结构附近的电连接处，在零电流出现的状态下)。
图6b图解说明同步整流器 (SR)晶体管的次级侧控制。归因于布置在SR晶体管S1，S2附近的磁阻结构(例如，GMR传感器)，能够实现非常精确的零电流检测。
此外，归因于一体化的电流管理，通过使用所提出的概念，可避免由封装感应率引起的占空度的失真。因此，同电压管理比较起来，回路内的电流可相等。
一些实施例涉及用于电子电力装置的保护监测的阈值的检测。例如，使用根据上述的概念或者一个或多个实施例的检测器，可以实现绝缘栅双极晶体管的快速短路电路监测。通过把磁阻结构用于电流检测，1μs或以下之内的检测成为可能。
如已经提及的，磁阻结构520可被放置在各种位置。图7a示出图6中所示的变换器单元540的H桥的一部分的细节。该部分包括电感器L1，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。电感器L1连接到第一晶体管Q1的源极和第二晶体管Q2的漏极。对应于图7a中所示的H桥的所述部分，图7b示出由圆中的十字指示的磁阻结构的可能位置。磁阻结构可以位于被配置以承载待变换的电压信号或者通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号的电导电线(例如，最接近于磁阻结构的电导电线)附近。例如，电导电线可以连接到开关元件的源极或漏极，连接到电感器，或者建立电感器的线圈(例如，磁阻结构可至少部分被电感器围绕)。
以这种方式，可以接近于开关元件地放置磁阻结构，以使得能够接近于开关元件地检测关注的电流强度的出现，以及能够非常精确地同步开关元件的开关。
一些实施例涉及用于条件监测或者开关触发的电压变换器内的关注电流强度的检测。换句话说，电压变换器可包括根据上述概念或者一个或多个实施例的检测器。例如，如上述的可被配置以变换大于1W，大于10W，大于100W或者大于1000W的电力，可被配置以开关大于10V，大于100V或者大于1000V的电压，或者可包括大于10V，大于100V或大于1000V的阻断电压的电压变换器可包括提出的检测器。
一些实施例涉及使用磁阻结构实施待感测信号的电流检测。换句话说，用于检测待感测信号的电流的关注电流强度的出现的方法可包括用被配置以取决于由待感测信号的电流引起的磁场来改变阻抗的磁阻结构，来实施待感测信号的电流的关注电流强度的检测。
图8示出根据实施例用于检测待感测信号的零电流的方法800的流程图。方法800包括基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生810零电流检测信号，零电流检测信号指示待感测信号的零电流。磁阻结构的阻抗取决于由待感测信号的电流引起的磁场而改变。此外，方法800包括提供820零电流检测信号。
方法800可包括与和上述概念或者一个或多个实施例相关被提及的一个或多个方面对应的一个或多个另外的可选则的步骤。
一些实施例涉及开关电路中的基于巨磁阻(GMR)的电流检测或零电流检测。例如，归因于非线性特性(例如，图2中所示的)，GMR传感器适合于检测零电流交叉。
借助所提出的实现，可提供具有固有的直流电隔离，高带宽，高灵敏度，低构造空间，高输入电流范围和/或良好的热稳定性的无损耗测量。
通过由具有基于GMR的传感器的导体产生的磁场，可进行电流的零电流交叉的测量。例如，通过磁场的空转电流测量成为可能。
GMR技术包括极高的带宽(例如，也适用于硬盘驱动器)。GMR传感器可提供纳秒范围内的开关时间的可能性。附加地，归因于磁测量原理的应用，检测磁性组件内的磁通量的零电流是可能的。这可改善灵敏度。
例如，所提出的传感器功能性也可被集成在数字控制器中，也用于实现电力电子的数字平台。
例如，所提出的概念可用于无桥电力因数校正(PFC)应用。此外，直流测量(DC)也是可能的。
图7b图解说明如已经提及的H桥中的基于GMR的零电流检测的应用可能性。例如，归因于在电力晶体管的漏极或源极的测量结构的应用，除了效率的增加之外，还可避免高效晶体管的临界工作条件。
除了类似于图6中所示示例的零电流检测的实现之外，也可把传感器用于谐振零电流开关(ZCRS)，和/或甚至集成在电力半导体中，如图4a中所示。因此，例如，除了分离地构成的零电流检测之外，存在把GMR零电流开关集成在单个半导体的工艺流程中的可能性，如由图4a中所示的整体 (XMR)集成概念所示。例如，附加地，借助***级封装(SoP)策略，和借助零电流检测与驱动信号之间的对应逻辑互连，包括分析电路(例如，零电流检测器的检测单元)的零电流检测器和驱动器(例如，用于电力晶体管栅极的驱动器电路)可被集成在一个封装中，为了在零电流下提供开关。
磁阻结构也可用于产生用于校正零电流检测器和/或使用零电流检测器的线路(例如，电压变换器)的校正信号。
GMR可包括磁滞现象。可以使这样的磁滞现象保持为非常低。图3中示出了一个示例。此外，对这样的应用来说，GMR结构可能非常快速地饱和。
在这个示例中，对于不同方向中的电流，阻抗的改变包括相同的代数符号。然而，例如，归因于固有的电流测量功能，能够容易地区分不同的电流方向。
提出的零电流检测可提供直流电隔离。此外，不需要通过传感器的电流流动，与磁场测量结合(核心饱和的检测)成为可能，在单个半导体的处理中的技术集成成为可能，与用于驱动栅极(锁定机构)的逻辑结合也可能容易地集成分析电子，在零交叉处的信号放大和/或电流的同时测量成为可能。此外，可把磁性组件内的磁场测量用于零电流测量，并且可选择地，通过把GMR技术集成在一个芯片上，线圈内的磁性性能(核心饱和)的同时测量也成为可能。因此，归因于集成的GMR技术，与快速逻辑和数字功能性的结合是可能的。此外，基于隧道磁阻结构的实现是可能的，这可提供更高的灵敏度和更低的磁滞现象。
除了过零点的检测之外，借助GMR传感器的适合的偏置，在零交叉之上的预置电流值的检测成为可能。例如，借助通过附近的导体的参考电流，可到达偏置。类似于图4a和4b中所示的示例，导体可被布置在磁阻结构(xmr传感器)附近。
为了检测和/或校正阈值和精确的零交叉（点），可以进行GMR开关元件的零电流交叉或开关点的参数化。存在更改GMR的开关点的各种可能性。
例如，使用技术措施，特性曲线可被上移或下移(偏置)。可使用不同的层厚或层形状，设定所需的零点。可以以低工作量实现这种偏置，但是在生产之后，这种偏置被固定，不再是可变更的。
使用熔断(预定电路部分的特定切断，例如，依靠工业激光器)，也可修整传感器电路。图4c示出包括待依靠激光熔断来修整的桥的桥电路的示例。这种可激光修整的GMR传感器桥是使用半导体校正措施的偏置的示例。
也可使用修整的其它可能性，进行这种修整，作为例如，通过EEPROM (电可擦可编程只读存储器)驱动的晶体管，或者包括待破坏栅极的晶体管(例如，SIDENSE原理)。
例如，归因于GMR在电力晶体管上的集成，***电力晶体管，驱动器，电流传感器和控制器在一个封装中的集成是可能的。
实施例还提供一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机或处理器上施行所述计算机程序时，所述程序代码用于执行上述方法之一。本领域的技术人员易于认识到各个上述方法的步骤可用程控计算机执行。这里，一些实施例还意图覆盖机器或计算机可读的，并对指令的机器可施行或计算机可施行程序编码的程序存储装置，例如，数字数据存储介质，其中所述指令执行上述方法的一些或全部动作。程序存储装置可以是例如数字存储器，诸如磁盘和磁带之类的磁性存储介质，硬盘驱动器，或者光学可读数字数据存储介质。实施例还意图覆盖被编程以执行上述方法的动作的计算机，或者被编程以执行上述方法的动作的(现场)可编程逻辑阵列((F)PLA)或(现场)可编程门阵列((F)PGA)。
说明书和附图只是图解说明本公开的原理。从而，会认识到本领域的技术人员能够设计出尽管这里未明确地描述或示出，不过具体体现本公开的原理，并且包括在本公开的精神和范围内的各种方案。更进一步，这里陈述的所有示例主要意图明确地仅仅用于教示目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为促进现有技术而贡献的概念，这里陈述的所有示例要被诠释为(但不限于)这些具体陈述的示例和条件。而且，这里的陈述本公开的原理、方面和实施例，以及其具体示例的所有语句意图包括其等同物。
示出成“用于…的装置”(实施某种功能)的功能块应被分别理解成包括被配置以执行某种功能的电路的功能块。从而，“用于某事的装置”也可被理解成“配置成或者适合于某事的装置”。从而，配置成执行某种功能的装置并不暗示这种装置必然在执行该功能(在给定的时刻)。
通过使用专用硬件，比如“信号供给者”，“信号处理单元”，“处理器”，“控制器”等，以及与适当软件结合的能够施行软件的硬件，可提供图中所示的各个元件的功能，包括标记为“装置”，“提供传感器信号的装置”，“产生传输信号的装置”等的任何功能块。此外，这里描述为“装置”的任何实体可对应于或者被实现成“一个或多个模块”，“一个或多个设备”，“一个或多个单元”等。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器提供，由单个共享处理器提供，或者由多个单独的处理器提供，所述多个单独的处理器中的一些处理器可被共享。然而，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被诠释成专指能够施行软件的硬件，以及可隐含地包括(而不限于)数字信号处理器(DSP)硬件，网络处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，用于保存软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可包括其它常规的和/或定制的硬件。
本领域的技术人员应理解这里的任意方框图表示具体体现本公开的原理的例证电路的概念视图。类似地，应理解任何流程图，程序框图，状态转移图表，伪代码等表示可在计算机可读介质中被实质表示，从而由计算机或处理器施行的各种处理，无论这样的计算机或处理器是否被明确地示出。
更进一步地，以下的权利要求因此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求可独自作为单独的实施例。要注意-尽管在权利要求书中，从属权利要求可能涉及与一个或多个其它权利要求的具体组合-不过，其它实施例也可包括该从属权利要求与每个其它的从属权利要求的主题的组合。这里提出这样的组合，除非注明并不意图特定的组合。更进一步地，还意图把权利要求的特征包括到任何其它独立权利要求中，即使该权利要求并不直接从属于所述独立权利要求。
要进一步注意，在说明书或者权利要求书中公开的方法可用具有分别执行这些方法的各个动作的装置的设备实现。
此外，要理解在说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开可不被诠释成在具体的顺序中。因此，多个动作或功能的公开并不把这些动作或功能局限于特定的顺序，除非由于技术原因，这样的动作或功能不可互换。更进一步地，在一些实施例中，单个动作可包括或者可被分解成多个子动作。这样的子动作可被包括并成为所述单个动作的公开内容的一部分，除非被明确地排除在外。

Claims (20)

1.一种用于检测待感测信号的电流的关注电流强度的出现的检测器，所述检测器包括：
磁阻结构，所述磁阻结构被配置以取决于由待感测信号的电流引起的磁场，来改变阻抗；和
检测单元，所述检测单元被配置以基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供指示关注电流强度的出现的电流检测信号。
2.按照权利要求1所述的检测器，其中检测单元被配置以通过产生指示磁阻结构的阻抗的传感器信号，来检测磁阻结构的改变的阻抗的量，并比较传感器信号和预定阈值，所述预定阈值指示在待感测信号的电流的关注电流强度下的磁阻结构的阻抗。
3.按照权利要求1所述的检测器，其中磁阻结构至少包括布置在第一磁性层和第二磁性层之间的非磁性层，以使得该叠层的阻抗取决于由待感测信号的电流引起的磁场而改变。
4.按照权利要求3所述的检测器，其中非磁性层是电导电层，以使得阻抗的改变基于巨磁阻效应，或者非磁性层是电绝缘层，以使得阻抗的改变基于隧道磁阻效应。
5.按照权利要求1所述的检测器，其中检测单元被配置以产生指示待感测信号的电流的关注电流强度的时间出现的零电流检测信号，其中待感测信号的电流包括具有频率大于1kHz的关注电流强度。
6.按照权利要求1所述的检测器，其中在同一半导体管芯上，制造磁阻结构和被配置以传送待感测信号的电导电线。
7.按照权利要求6所述的检测器，其中在半导体管芯的金属间氧化层和钝化层之间，制造磁阻结构，其中直接在磁阻结构之下，制造最接近于磁阻结构的电导电线的一部分，同时金属间氧化物层在中间。
8.按照权利要求1所述的检测器，包括开关元件，其中检测单元被配置以把电流检测信号提供给开关元件，以使得由待感测信号的电流的关注电流强度的出现，来触发开关元件的开关。
9.按照权利要求1所述的检测器，其中磁阻结构至少部分被传送待感测信号的电感器围绕。
10.按照权利要求11所述的检测器，其中检测单元被配置以产生指示电感器的状态的状态信号。
11.按照权利要求1所述的检测器，其中检测单元被配置以产生指示关于待感测信号的磁场强度或电流强度的信息的测量信号。
12.按照权利要求1所述的检测器，其中关注的电流强度是待感测信号的零电流。
13.按照权利要求1所述的检测器，包括调节模块，所述调节模块被配置以调节磁阻结构的最大灵敏度的范围，以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度的范围中，或者磁阻结构被配置以使得由待感测信号的电流的关注电流强度引起的磁场位于磁阻结构的最大灵敏度的范围中。
14.一种电压变换器，包括：
输入单元，所述输入单元被配置以接收待变换的电压信号；磁阻结构，所述磁阻结构被配置以取决于由待变换的电压信号，或者由处理待变换的电压信号而获得的处理信号引起的磁场，来改变阻抗；检测单元，所述检测单元被配置以基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生并提供电流检测信号，所述电流检测信号指示在待变换的电压信号或通过处理待变换的电压信号而获得的处理信号之内的关注电流强度的出现；和变换器单元，所述变换器单元被配置以基于电流检测信号，把待变换的电压信号或由处理待变换的电压信号而获得的处理信号变换成变换电压信号。
15.按照权利要求14所述的电压变换器，其中所述变换器单元包括至少一个开关元件，所述开关元件被配置以开关待变换的电压信号或由处理待变换的电压信号而获得的处理信号，其中检测单元被配置以把电流检测信号提供给开关元件，以使得由待变换的电压信号或者由处理待变换的电压信号而获得的处理信号的电流的关注电流强度的出现，来触发开关元件的开关。
16.按照权利要求14所述的电压变换器，其中磁阻结构位于电导电线附近，所述电导电线被配置以传送待变换的电压信号或者由处理待变换的电压信号而获得的处理信号，其中电导电线连接到开关元件的源极或漏极，连接到电感器，或者建立电感器的线圈。
17.按照权利要求14所述的电压变换器，其中电压变换器被配置以对待变换的电压信号整流。
18.按照权利要求14所述的电压变换器，其中电压变换器被配置以变换大于1W的电力。
19.一种用于检测待感测信号的电流的关注电流强度的出现的方法，包括：
使用磁阻结构实施待感测信号的电流的关注电流强度的检测，所述磁阻结构被配置以取决于由待感测信号的电流引起的磁场，来改变阻抗。
20.按照权利要求19所述的方法，所述方法包括：
基于磁阻结构的改变的阻抗的检测量，来产生电流检测信号，所述电流检测信号指示关于待感测信号的电流是否包括关注电流强度的信息，其中，磁阻结构的阻抗取决于由待感测信号的电流引起的磁场而改变；和提供所述电流检测信号。
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