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作者：Cedric Gillet 和 Andreas Friedrich
Allegro MicroSystems, LLC
和任何半導(dǎo)體裝置一樣，Allegro? 提供的集成電流傳感解決方案可以限制在該解決方案可經(jīng)受的最大允許電流和隔離電壓范圍內(nèi)。能量耗散和包裝尺寸是限制參數(shù)。對(duì)于大電流應(yīng)用 (>200 A)，Allegro 建議使用配有霍爾效應(yīng)傳感器 IC（圖 1）的磁集中器。該系統(tǒng)由環(huán)繞電流導(dǎo)體的鐵磁體集中器組成，這些集中器設(shè)有稱(chēng)為氣隙的小窗口，傳感器 IC 就布置在氣隙內(nèi)。此文檔的目的是為設(shè)計(jì)大電流集中器提供基本指導(dǎo)。
圖 1。配有磁集中器的典型大電流傳感系統(tǒng)。
簡(jiǎn)介
集中器將導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁通線集中在氣隙中心，而霍爾效應(yīng)磁傳感器 IC 也布置在此處。集中器（也稱(chēng)為磁芯）的效率以及相應(yīng)的電流傳感系統(tǒng)的效率主要取決于以下因素：
以下各節(jié)逐一詳細(xì)介紹了上述每個(gè)因素。
集中器材料
集中器材料的選擇是其磁導(dǎo)率、電阻率和成本的微妙平衡。要將磁通線集中于傳感元件上，磁芯不得在大電流條件下飽和。因此，集中器必須具有相對(duì)空氣較高的磁導(dǎo)率，但不能高到永磁材料的水平，以避免暴露于高電流時(shí)，產(chǎn)生不良的殘余磁化效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量磁滯。硅鐵 (FeSi) 或鎳鐵 (FeNi) 等鐵合金材料最常用于電源系統(tǒng)，因?yàn)檫@種材料具有很高的磁導(dǎo)率和高飽和點(diǎn)（圖2）。
圖 2。硅鐵（3％）和 1010 鋼的磁芯增益。對(duì)于相同的磁芯，硅鐵產(chǎn)生的增益斜率較高（1 G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。
鐵的缺點(diǎn)是電阻率較低，這使其容易受到渦流（感應(yīng)反向電流）的影響，從而降低在頻域中的電流測(cè)量精度。為了盡量減少這種效應(yīng)，鐵必須和硅等低導(dǎo)電率材料組成合金。此外，建議使用通常為 0.3 mm 厚的鐵芯片層疊成鐵芯，這將顯著降低渦流（鐵芯片越薄，渦流較小）（圖3）。各層也必須涂硅，以提高效率。
圖 3。松散材料（左）和層壓材料（右）的渦流。層壓材料的渦流更小。
其他材料（如羰基鐵、非晶態(tài)金屬或鐵素體）粗看可能有吸引力，但目前不建議使用，因?yàn)檫@些材料的磁特性會(huì)隨時(shí)間的推移而劣化（羰基鐵），或是具有較大的磁滯（非晶態(tài)金屬）。盡管鐵氧體的成本低，電阻率高（最大限度減少渦流），但鐵氧體的磁導(dǎo)率較低，飽和點(diǎn)很低，因此不太適合大電流應(yīng)用場(chǎng)合。
集中器尺寸
假定使用圓形、環(huán)形鐵芯，其尺寸由外徑 (O.D.)、內(nèi)徑 (I.D.) 和厚度 (T) 的尺寸限定（圖4）。這三個(gè)尺寸定義了氣隙處鐵芯截面積大小。
圖 4。集中器尺寸
以固定氣隙長(zhǎng)度 (E) 和截面積運(yùn)行磁模擬已經(jīng)表明，最佳磁芯寬度 (W) 大約為 3-4 mm，以獲得最佳的磁集中度（圖5）。
圖 5。磁場(chǎng)與磁芯寬度 (O. D. – I. D.)。磁通密度 (B) 在氣隙中心測(cè)量（1G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。
附加磁性評(píng)估表明，磁芯直徑越大，飽和點(diǎn)越高。同樣地，磁芯截面積越大，飽和點(diǎn)越高。需要注意的是，集中器的直徑（假設(shè)外徑 O.D. 和內(nèi)徑 I.D. 之間具有恒定寬度 W）不會(huì)顯著影響其磁性增益，只會(huì)影響其飽和點(diǎn)（圖6）。
圖 6。磁芯截面積和直徑對(duì)磁通密度 (B) 的影響。相對(duì)直徑不會(huì)顯著影響磁性增益，但的確會(huì)影響磁芯的磁飽和點(diǎn)。
顯然，在應(yīng)用允許條件下，集中器直徑和截面積應(yīng)盡可能大。此外，建議在導(dǎo)電體與集中器之間留出最小 3 - 4 mm 間距（圖 4 中的 S），以確保集中器在大電流條件下不會(huì)飽和。
集中器氣隙
氣隙 (E) 長(zhǎng)度是集中器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗苯佣x了系統(tǒng)的增益。氣隙（恒定截面積處）越小，增益越大。但是，如果氣隙太小，磁芯殘余磁滯顯著增加，從而降低小電流情況時(shí)的精度。建議氣隙為 3 - 5 mm。顯然，必須根據(jù)傳感器封裝厚度調(diào)整氣隙。圖 7 顯示了在不同氣隙條件下，集中器具有不同的增益。
圖 7。氣隙對(duì)磁通密度 (B) 的影響。氣隙越小，磁增益越大，但小氣隙導(dǎo)致的飽和點(diǎn)限制電流傳感范圍。
集中器幾何形狀
只要集中器將磁力線集中到傳感元件上，集中器的幾何形狀將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。通常，磁芯采用環(huán)形，可以將磁通線沿一個(gè)方向聚集，并避免角度效應(yīng)，但也可以使用矩形集中器。如果使用矩形磁芯，建議將磁芯的內(nèi)角倒圓，以避免磁集中效應(yīng)（圖8）。在磁芯外部，倒圓角相關(guān)性較低，因?yàn)檫@些角遠(yuǎn)離導(dǎo)體。
圖 8。矩形集中器配置。圓形環(huán)集中器適用于相同的設(shè)計(jì)規(guī)則。此外，為了避免角度效應(yīng)，內(nèi)角必須倒圓，外角可以倒圓。
總結(jié)
大電流傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)（> 200 A）的集中器應(yīng)使用以下規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化：
磁芯應(yīng)該采用硅鋼或鐵鎳合金制造。
磁芯必須采用層壓工藝，并且涂覆硅材料。
在應(yīng)用環(huán)境允許條件下，磁芯直徑應(yīng)盡可能大，并使用較大的材料截面積（最小 25 mm 2 ）。
集中器寬度應(yīng)為約 3-4 mm。
在所有方向上，保持磁芯和導(dǎo)體之間具有最小間距 3 - 4 mm。
氣隙應(yīng)為 3 - 5 mm。
非環(huán)形集中器形狀必須使內(nèi)角盡可能為圓形。
KT 封裝的 Allegro 線性傳感器 IC，例如 A1363LKT ，非常適合這些大電流感應(yīng)系統(tǒng)。
