使用Allegro Hall效应传感器IC设计用于高电流传感应用的集中器的指南亚博尊贵会员

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由Cedric Gillet和Andreas Friedrich
亚博棋牌游戏Allegro微系统有限责任公司

与任何半导体器件一样,Allegro的集成电流传感解决方案™ 报价可以限制在最大允许电流和绝缘电压,他们可以容忍。能量耗散和封装尺寸是限制参数。对于大电流应用(>200A),Allegro建议使用带有霍尔效应传感器IC的磁性集中器(图1)。该系统由一个围绕电流导体的铁磁集中器组成,设计有一个小窗口,称为亚博尊贵会员气隙,其中放置传感器IC。本文的目的是为设计大电流集中器提供基本指导。

图1

图1.典型的高电流传感系统,具有集中器。

介绍

集中器将通过导体的电流产生的磁通线聚焦在气隙的中心,霍尔效应磁传感器IC位于该中心。集中器(也称为磁选机)的效率核心)并且因此对电流检测系统,至关重要地取决于以下因素:

  • 芯材
  • 核心尺寸
  • 气隙
  • 核心几何

以下各节将逐一详细介绍这些因素。

浓缩器材料

聚光剂材料的选择是通过微妙的损害在其渗透性,电阻率和成本之间进行的。为了将磁通线集中在传感元件上,芯必须在高电流下饱和。因此,它必须具有高渗透性相对于空气,但不如永磁体材料高,以避免暴露于高电流后的不希望的残余磁化,这产生测量滞后。铁合金如硅铁(Fesi)或Feniickel(Feni)的家族最常用于电力应用,因为它们具有高渗透性等高饱和点(图2)。亚博尊贵会员

图2

图2。FeSi(3%)和1010钢的磁芯增益。对于相同的磁芯,FeSi产生更高的增益斜率(1g(高斯)=0.1mt(毫特斯拉))。

铁的缺点是电阻率低,容易受到涡流(感应反向电流)的影响,从而降低了频率域的电流测量精度。为了将这种影响降到最低,铁必须被合金化为导电性较差的材料,如硅。此外,建议使用厚度通常为0.3 mm的层对芯进行层压,这将显著减少涡流(层越薄,涡流越小)(图3)。每一层还必须涂上硅,以提高效率。

图3

图3。散装材料(左)和层压材料(右)中的涡流。层压材料减少了涡流。

其他材料,例如羰基熨斗,无定形金属或铁氧体,乍一看似乎有吸引力,但由于它们随时间(羰基熨斗)或由于其较大的磁滞(无定形金属)而导致它们的磁性降低,因此不推荐。尽管铁氧体具有较低的成本和更高的电阻率(最小化涡流),但它们也具有较低的渗透性和相当低的饱和点,使它们不适用于高电流应用。亚博尊贵会员

集中器尺寸

假设圆形环形芯,其尺寸由其外径(O.D.)的尺寸限定,其内径(即)及其厚度(图4)。所有三个都定义了气隙处的核心横截面的区域。

图4.

图4.集中尺寸

在固定气隙长度(E)和横截面积下进行的磁模拟表明,最佳磁芯宽度(W)约为3至4 mm,以获得最佳磁浓度(图5)。

图5.

图5。磁场与磁芯宽度的关系。在气隙中心测量磁通密度(B)(1 G(高斯)=0.1 mT(毫特斯拉))。

额外的磁性评估表明,核心的直径越大,饱和点越高。类似地,芯的横截面越大,饱和点越高。重要的是要注意,聚光器的直径(假设恒定宽度W,在O.D.和I.D之间)不会显着影响其磁增率,而只是其饱和点(图6)。

图6

图6.芯横截面和直径对磁场磁通密度(B)的影响。相对直径不会显着影响磁增率,但确实影响了核心的磁饱和点。

显然,浓缩器直径和横截面应与应用允许一样大。此外,建议在电流导体和浓缩器之间留下至少3至4mm的间距,以确保浓缩器在更高的电流下不饱和。

浓缩器气隙

气隙(E)的长度是集中器设计的关键参数,因为它直接定义了系统的增益。气隙(在恒定的横截面积)越小,增益越高。然而,如果气隙太窄,则芯的残余磁滞变得显着,从而降低了较小电流的精度性能。推荐的气隙在3到5毫米之间。空气隙明显必须调整到传感器封装厚度。图7报告了具有不同气隙的集中器的不同收益。

图7

图7。气隙对磁场磁通密度的影响。较小的气隙会产生较大的磁增益,但在较小的气隙处出现的饱和点会限制电流感应范围。

集中器几何

只要集中器将磁通线聚焦在传感元件上,集中器的几何结构就不会对系统产生巨大影响。通常,磁芯是圆形的,以将磁通线集中在一个方向上,并避免角度效应,但矩形集中器也可以使用。对于矩形磁芯,建议将磁芯的内角磨圆,以避免磁集中效应(图8)。在铁心的外侧,圆角不太相关,因为这些拐角离导体更远。

图8

图8.矩形集中器配置。相同的设计规则适用于圆环集中器。另外,内角和任选的外角必须圆形以避免角度效应。

结论

应通过应用以下规则优化用于高电流传感应用(> 200a)的集中器的设计:亚博尊贵会员

  • 铁心应采用硅铁或芬尼铁。
  • 磁芯必须层压并涂上硅材料。
  • 芯直径应尽可能大,具有较大的固体材料横截面(最小25 mm2)。
  • 集中器的宽度应该在3到4毫米左右。
  • 在核心和导体之间保持3至4 mm的最小间距距离。
  • 气隙应为3至5 mm。
  • 非圆形聚光器形状必须尽可能在内角圆形。

KT封装中的Allegro线性传感器IC,例如A1363LKT型,非常适合这些大电流传感系统。