使用快板电流传感器IC和铁磁芯进行大电流测量:涡流的影响
使用快板电流传感器IC和铁磁芯进行大电流测量:涡流的影响
作者:亚尼克Vuillermet,
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems欧洲有限公司
介绍
用周围的铁磁芯测量母线排电流是一种常见技术。对于高于200年的大电流测量,快速的建议使用A136x系列的线性IC,比如与磁芯结合使用的A1367（图 1）。本文档重点介绍交流电(AC)对电流测量的影响。交流输入电流往往在磁芯中产生涡流。这些涡流改变了受测磁场，降低电流测量精度。
有关磁芯设计的更多详细信息,请参阅快板网站上提供的“利用快板霍尔效应传感器IC进行大电流传感应用的集中器设计指南”［1］。
请注意,本文档中的所有结果均来自Ansys麦克斯韦软件中执行的电磁仿真。
磁芯和快板A1367的典型大电流传感系统
测量原理
理想情况下，气隙中的磁场H与母线排或电流导线中的输入电流我完全成比例。因此，用线性磁场传感器测量该磁场，并表征输入电流和磁场之间的系数以测量该输入电流就足够了。该系数年代C称为耦合因子或核心灵敏度。然而，该耦合因子仅在有限的电流和频率范围内是恒定的。该系数的任何变化都会导致输入电流测量误差。典型的精度要求在测量电流的几个百分点内。
涡流基础知识
涡流是伦茨定律的直接效应，它表明通过改变磁场在导体中感应电流的方向和大小，该电流产生的磁场
与产生电流的磁场变化相反。在使用铁磁芯的交流电流传感器应用中，随切向磁场的变化，会在芯内部感应出涡电流。图2是YZ横截面示意图,表示大铁芯中的涡电流。
这些涡流产生与激励磁场Hexc相反的感应磁场Heddy。这在传感器层面上表现为测量的核心灵敏度C降低，或者
说是电流测量误差。
大磁芯中的涡流示意图
为了减小涡流，必须切断磁芯中的电流路径。使用薄片层叠芯可以实现这一点。这些薄片必须彼此
电隔离。
层压可以通过Y方向轧制,或者通过Z方向叠片来实现(图3)。涡流仍然存在，但幅度减小。
涡流：轧制（左）和堆叠（右）
使用快板A1367LKT线性传感器IC的典型应用
这里考虑使用快板A1367LKT线性传感器IC的典型高电流应用。此应用中的最大峰值电流为600 A。几何结构如图 4 所示。沿Z轴的核心长度为6毫米。磁芯由铁磁材料制成，如具有典型磁特性的晶粒取向硅钢，如图 5 所示。初始相对磁导率为10000年,饱和时的磁极化为1.8 t。注意，为简单起见，不考虑磁滞。核心电阻率为45μΩ/厘米。
直流磁芯灵敏度C的评估范围为0到600。图6介绍了A1367霍尔板位置的预期测量场和预期的核心灵敏度。正如预期的那样，磁芯磁灵敏度保持恒定，一直到最大电流。核心灵敏度约为2.36 G / A。在双极性模式下,A1367使用±2 V输出范围。因此,IC灵敏度约为1.4 mV / G,推荐的A1367部件选项为A1367-LKTTN-2B-T。图 7 显示了最大直流电流下的磁芯磁化强度；磁化
不会达到饱和。
现在,正弦电流以600的峰值提供给母线。
评估三个磁芯：
- 大铁芯
- 沿Z方向层压0.375毫米叠片
- 沿Z方向层压0.250毫米叠片
图8报告了磁芯灵敏度衰减δ随频率的变化。f频率下的衰减百分比定义为:
年代C_f是频率f下的核心磁灵敏度。年代C_DC是直流和10电流值中的核心磁灵敏度。在大磁芯内,灵敏度相对于频率非常快地降低:在100赫兹时,这已经很明显(> 5%)。或者说，大磁芯仅适用于近直流测量。
根据所需的精度、层压铁芯最高可用于若干千赫。正如所料，更薄的叠片可以改善交流性能。
图 9 显示了输入电流和气隙中测量的磁场之间的相移。图9表明由集成电路测量的磁场滞后于在母线排中流动的交流
电流。在叠片铁芯中,对于高于若干kHz的电流频率,该滞后可以高达几个电角度。
作为直接结果，由于存在高谐波成分，可以使用显著延迟测量输入电流步长。请注意，衰减和滞后只是源自涡流物理因素。
具有无限带宽的完美磁场传感器也会看到这些效果。
图10中显示了0.375毫米叠片铁芯的衰减与输入电流的关系。在这个曲线中可以看到非常有趣的现象。在低频时，衰减对于电流是恒定的，而衰减
300年在5 kHz,左右开始下降。涡流引起的磁芯过早饱和是根源。低于300时,
衰减仅仅是由于集中器中的涡流，集中器在图 5 的线性区域工作。在300时,涡电流局部产生使磁芯饱和的高磁场。
因此,铁芯磁灵敏度在300时已经下降,而铁芯通常在直流大于600时饱和。在比较图 7 和图 11 中的磁芯磁化强度时，
这一点清晰可见。注意,在图11铁芯磁化映射上可见的“噪声“不是真实的,而是由于模拟网格。
图12表示在5 kHz和600条件下,0.375毫米叠层铁芯截面内的涡流强度密度。
与频率的关系
0.375毫米叠片）
, 0.375毫米叠片
结论
分析表明：
- 由于核心灵敏度的改变以及输入电流和产生磁场之间的相移，涡电流引起电流测量误差。
- 通过铁芯叠片减少涡流：叠片越薄，频率表现越好。
- 大铁磁芯仅用于直流测量或非常慢的交流,大约小于10赫兹。
- 对于频率高达若干kHz的交流测量,推荐使用叠片铁磁芯,叠片厚度为几百微米,所需精度约为几个百分点。
- 对于给定的应用，最坏情况下的测量误差出现在最大应用频率和最大应用电流。
快板工程师可以根据电流和频率范围协助客户为其应用设计最佳铁芯。请联系您当地的快亚博棋牌游戏板微系统技术中心寻求帮助。
［1］“利用快板霍尔效应传感器IC进行大电流传感应用的集中器设计指南”,
//www.wangzuanquan.com/en/insights-and-innovations/technical-documents/hall-effect-sensor-ic-publications/current-sensor-concentrator