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
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。
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。
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 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。
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。
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：
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。
与频率的关系
0.375 mm 叠片）
，0.375mm 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 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”，
https://www.allegromicro.com/en/insights-and-innovations/technical-documents/hall-effect-sensor-ic-publications/current-sensor-concentrator