使用 Allegro 电流传感器 IC 和铁磁芯进行大电流测量:涡流的影响

使用 Allegro 电流传感器 IC 和铁磁芯进行大电流测量:涡流的影响

作者:Yannick Vuillermet、
Allegro MicroSystems Europe Ltd

下载 PDF 版

 

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 A 的大电流测量,Allegro 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 Allegro 网站上提供的“利用 Allegro 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 Maxwell 软件中执行的电磁仿真。

 

图 1
图 1:具有
磁芯和 Allegro 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 I 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 SC 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 SC 降低,或者
说是电流测量误差。

图 2:大磁芯中的涡流示意图
图 2:
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。

图 3:叠层铁芯和相应的涡流:轧制(左)和堆叠(右)
图 3:叠层铁芯和相应的
涡流:轧制(左)和堆叠(右)

 

使用 Allegro A1367LKT 线性传感器 IC 的典型应用

这里考虑使用 Allegro 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 mm。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,饱和时的磁极化为 1.8T。注意,为简单起见,不考虑磁滞。核心电阻率为 45μΩ/ cm。

图 4:核心设计
图 4:磁芯设计

图 5:核心磁特性
图 5:核心磁特性

直流磁芯灵敏度 SC的评估范围为 0 到 600 A。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。
图 6:DC 磁芯磁性能
图 6:DC 磁芯磁性能

图 7:600 A DC 的磁芯磁化强度(特斯拉)
图 7:600 A DC 的磁芯磁化强度(特斯拉)

现在,正弦电流以 600 A 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 mm 叠片
  • 沿 Z 方向层压 0.250 mm 叠片

图 8 报告了磁芯灵敏度衰减 δ 随频率的变化。频率 f 下的衰减百分比定义为:
方程
SC_f 是频率f下的核心磁灵敏度。SC_DC 是直流和 10 A 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 Hz 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 kHz。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 IC 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 0.375mm 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
在 5 kHz,300 A 左右开始下降。涡流引起的磁芯过早饱和是根源。低于 300A 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 300A 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 A 时已经下降,而铁芯通常在 DC 大于 600 A 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 A 条件下,0.375 mm 叠层铁芯截面内的涡流强度密度。

图 8:在 600 A 交流下的铁芯灵敏度衰减与频率的关系
图 8:在 600 A 交流下的铁芯灵敏度衰减
与频率的关系

图 9:600 A 交流下的相移与频率的关系
图 9:600 A 交流下的相移与频率的关系
 
图 10:铁芯灵敏度衰减与电流的关系(0.375 mm 叠片)
图 10:铁芯灵敏度衰减与电流的关系(
0.375 mm 叠片

图 11:600A,5kHz 下的铁磁化强度(特斯拉),0.375mm 叠片
图 11:600A,5kHz 下的铁芯磁化强度(特斯拉)
,0.375mm 叠片

图12:铁芯内部的涡流强度密度,0.375 mm 叠片,5 kHz 和 600 A,YZ 横截面
图 12:铁芯内部的涡流强度密度,0.375 mm 叠片,5 kHz 和 600 A, YZ 横截面

 

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 Hz。
  • 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。

Allegro 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 Allegro Microsystems 技术中心寻求帮助。

 

[1]“利用 Allegro 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”,
/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/Current-Sensor-Concentrator.aspx

AN296162