用Allegro霍尔效应传感器IC设计大电流传感用集中器的指南亚博尊贵会员
用Allegro霍尔效应传感器IC设计大电流传感用集中器的指南亚博尊贵会员
作者：塞德里克·吉列和安德烈亚斯·弗里德里希
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC
与任何半导体器件一样，Allegro™提供的集成电流检测解决方案可以限制在最大允许电流和隔离电压中，它们可以容忍。能量耗散和封装尺寸是限制参数。对于高电流应用（> 200a），A亚博尊贵会员llegro建议使用磁集聚器与霍尔效应传感器IC（图1）。该系统由铁磁聚光器组成，围绕电流导体，并设计有点窗口，称为气隙，将传感器IC放置在其中。本文档的目的是提供用于设计高电流集中器的基本准则。
图1。带集中器的典型大电流传感系统。
介绍
浓缩器聚焦通过流过导体的电流产生的磁通量线，在气隙的中心，其中霍尔效应磁传感器IC定位。浓缩器的效率（也称为磁性）核心)因此，电流传感系统的性能主要取决于以下因素：
- 核心材料
- 核心尺寸
- 气隙
- 岩芯几何形状
以下部分详细介绍了这些因素，一个接一个。
浓缩器材料
选矿厂材料的选择取决于渗透性、电阻率和成本之间的微妙折衷。为了将磁通线集中在传感元件上，磁芯在大电流下不得饱和。因此，它必须具有相对于空气的高磁导率，但不能像永磁材料那样高，以避免在暴露于大电流后产生不希望的残余磁化，从而产生测量滞后。硅铁（FeSi）或镍铁（FeNi）等铁合金系列最常用于电力应用，因为它们具有高磁导率和高饱和点（图2）。亚博尊贵会员
图2. FESI（3％）和1010钢的核心增益。对于相同的核心，FESI产生更高的增益斜率（1g（高斯）= 0.1 mt（毫藏））。
铁杆的缺点是它们的低电阻率，使得它们容易受到涡流（感应反向电流）的攻击，从而降低频域中的电流测量精度。为了最小化这种效果是铁杆必须合金于较少的导电材料（例如硅）的原因。另外，建议使用通常为0.3毫米厚度的层层压芯，这将显着减少涡流（层较薄，涡流越小）（图3）。每个层还必须涂有硅涂以更有效。
图3.散装材料（左）和层压材料（右）中的涡流。层压材料具有减少的涡流。
其他材料，如羰基铁、非晶态金属或铁氧体，乍一看似乎很有吸引力，但由于其磁性随时间的退化（羰基铁）或磁滞较大（非晶态金属），今天不推荐使用。即使铁氧体具有较低的成本和较高的电阻率（最大限度地减少涡流），它们也具有较低的磁导率和相当低的饱和点，这使得它们不太适合高电流应用。亚博尊贵会员
集中器尺寸
假设是一个圆形的环形芯，其尺寸由其外径（O.D.）、内径（I.D.）和厚度（T）的尺寸确定（图4）。所有三个都定义了气隙处的核心横截面面积。
图4。集中器尺寸
在固定气隙长度（e）和横截面积处运行的磁性模拟表明，最佳芯宽度（w）约为3至4mm，以获得最佳磁浓度（图5）。
图5.磁场与核心宽度（O. D. - I. D.）。在气隙的中心测量磁通密度（B）（1g（高斯）= 0.1mt（Millitesla））。
附加的磁性评估表明，磁芯直径越大，饱和点越高。同样，岩芯的横截面越大，饱和点越高。需要注意的是，集中器的直径（假设外径和内径之间的宽度W恒定）不会显著影响其磁增益，而只影响其饱和点（图6）。
图6。磁芯截面和直径对磁场通量密度（B）的影响。相对直径对磁增益没有显著影响，但会影响磁芯的磁饱和点。
显然，浓缩器的直径和横截面应该尽可能的大。此外，建议在电流导体和集中器之间留出至少3至4 mm的间距（图4中的S），以确保集中器在较高电流下不会饱和。
集中器气隙
气隙长度（E）直接决定了系统的增益，是集中器设计的关键参数。气隙越小（在恒定横截面积下）增益越高。但是，如果气隙过窄，磁芯的残余磁滞会变得显著，从而降低较小电流下的精度性能。建议的气隙在3到5 mm之间。气隙显然必须根据传感器封装厚度进行调整。图7显示了具有不同气隙的集中器的不同增益。
图7.气隙对磁场通量密度（B）的影响。较小的空气间隙导致更大的磁增率，但是在较小的空气间隙处发生的饱和点限制电流传感范围。
集中器几何结构
只要聚光器聚焦在传感元件上的磁通量线上，浓缩器几何形状就不会对系统产生巨大影响。通常，芯是圆形的，以在一个方向上集中磁通管线并避免角度效应，但也可以使用矩形浓缩器。采用矩形核心，建议绕核心的内角以避免磁浓度效应（图8）。在核心的外面，舍入不得较低，因为这些角落远离导体。
图8。矩形集中器配置。同样的设计规则适用于环形集中器。此外，内角和外角（可选）必须圆角以避免角度效应。
结论
大电流传感应用（>200A）集中器的设计应通过应用以下规则进行优化：亚博尊贵会员
- 核心应由Fesi或Feni制成。
- 必须将芯层层压并用硅材料涂覆。
- 芯直径应与应用允许的型号一样大，具有大的固体材料横截面（最小25 mm2).
- 浓缩器宽度应为约3至4毫米。
- 在所有方向上，铁芯和导线之间的最小间隔距离为3至4 mm。
- 气隙应为3至5毫米。
- 非圆形集中器形状必须在内角尽可能圆。
KT包中的Allegro线性传感器IC，例如A1363LKT.，理想地适用于这些高电流传感系统。