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
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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。带集中器的典型大电流传感系统。
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)因此，电流传感系统的性能主要取决于以下因素：
- 芯材
- 核心尺寸
- 气隙
- 岩芯几何形状
以下各节将逐一详细介绍这些因素。
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。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，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。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））。
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。
浓缩器气隙
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。
集中器几何结构
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。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
- 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 mm。
- 非圆形集中器形状必须在内角尽可能圆。
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。