使用Allegro霍尔效应传感器IC设计用于高电流传感应用的集中器指南雷竞技最新网址
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塞德里克·吉列(Cedric Gillet)和安德烈亚斯·弗里德里希(Andreas Friedrich)著
雷竞技竞猜下载Allegro Microsystems，LLC
与任何半导体器件一样，Allegro™提供的集成电流检测解决方案可以限制在最大允许电流和隔离电压中，它们可以容忍。能量耗散和封装尺寸是限制参数。对于高电流应用（> 200a），A雷竞技最新网址llegro建议使用磁集聚器与霍尔效应传感器IC（图1）。该系统由铁磁聚光器组成，围绕电流导体，并设计有点窗口，称为气隙，将传感器IC放置在其中。本文档的目的是提供用于设计高电流集中器的基本准则。
图1所示。典型的带有集中器的大电流传感系统。
介绍
浓缩器聚焦通过流过导体的电流产生的磁通量线，在气隙的中心，其中霍尔效应磁传感器IC定位。浓缩器的效率（也称为磁性）核)，因此电流传感系统的设计，主要取决于以下因素:
- 核心材料
- 核心尺寸
- 气隙
- 核心几何
以下部分详细介绍了这些因素，一个接一个。
集中器的材料
集中器材料的选择是在其渗透率、电阻率和成本之间进行微妙的折衷。为了使磁通量线集中在传感元件上，铁芯在大电流时不能饱和。因此，它必须具有相对于空气的高磁导率，但又不能像永磁体材料那样高，以避免暴露于大电流后产生不良的残余磁化，从而产生测量迟滞。铁合金系列如硅铁(FeSi)或镍铁(FeNi)最常用于电力应用，因为它们表现出高导磁率和高饱和点(图2)。雷竞技最新网址
图2. FESI（3％）和1010钢的核心增益。对于相同的核心，FESI产生更高的增益斜率（1g（高斯）= 0.1 mt（毫藏））。
铁杆的缺点是它们的低电阻率，使得它们容易受到涡流（感应反向电流）的攻击，从而降低频域中的电流测量精度。为了最小化这种效果是铁杆必须合金于较少的导电材料（例如硅）的原因。另外，建议使用通常为0.3毫米厚度的层层压芯，这将显着减少涡流（层较薄，涡流越小）（图3）。每个层还必须涂有硅涂以更有效。
图3.散装材料（左）和层压材料（右）中的涡流。层压材料具有减少的涡流。
其他材料，如羰基铁、非晶金属或铁氧体，乍一看可能很有吸引力，但今天不推荐使用，因为它们的磁性能会随着时间的推移而退化(羰基铁)，或因为它们的磁滞更大(非晶金属)。尽管铁氧体的成本更低，电阻率更高(减少涡流)，但它们也有较低的导磁率和相当低的饱和点，这使得它们不适合大电流应用。雷竞技最新网址
集中器尺寸
假设一个圆形的环形核心，其尺寸由其外径(O.D.)、内径(I.D.)和厚度(T)的尺寸定义(图4)。这三个尺寸都定义了核心横截面在气隙处的面积。
图4。集中器尺寸
在固定气隙长度（e）和横截面积处运行的磁性模拟表明，最佳芯宽度（w）约为3至4mm，以获得最佳磁浓度（图5）。
图5.磁场与核心宽度（O. D. - I. D.）。在气隙的中心测量磁通密度（B）（1g（高斯）= 0.1mt（Millitesla））。
另外的磁性评价表明，芯的直径越大，饱和点就越高。同样，岩心截面越大，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不变)并不会显著影响其磁增益，而只会影响其饱和点(图6)。
图6。磁芯截面和直径对磁场磁通密度的影响(B)。相对直径对磁增益的影响不显著，但对磁芯的磁饱和点有影响。
显然，浓缩器的直径和截面应尽可能大的应用程序允许。此外，建议在电流导体和集中器之间留出至少3 - 4mm的间距(图4中的S)，以确保集中器在较高电流时不会饱和。
集中器气隙
气隙长度(E)是集中器设计的关键参数，因为它直接决定了系统的增益。空气间隙越小(在一个恒定的横截面积)增益越高。然而，如果气隙太窄，铁芯的残余磁滞就会变得很明显，从而降低在较小电流下的精度性能。建议气隙在3mm ~ 5mm之间。气隙显然必须调整到传感器包的厚度。图7报告了具有不同气隙的聚光器的不同增益。
图7.气隙对磁场通量密度（B）的影响。较小的空气间隙导致更大的磁增率，但是在较小的空气间隙处发生的饱和点限制电流传感范围。
集中器几何
只要聚光器聚焦在传感元件上的磁通量线上，浓缩器几何形状就不会对系统产生巨大影响。通常，芯是圆形的，以在一个方向上集中磁通管线并避免角度效应，但也可以使用矩形浓缩器。采用矩形核心，建议绕核心的内角以避免磁浓度效应（图8）。在核心的外面，舍入不得较低，因为这些角落远离导体。
图8。矩形集中器配置。与环形聚光器的设计原则相同。此外，内角和可选的外角必须圆角，以避免角的影响。
结论
高电流传感应用(> 200a)集中器的设计应采用以下规则进行优化:雷竞技最新网址
- 核心应由Fesi或Feni制成。
- 必须将芯层层压并用硅材料涂覆。
- 芯直径应与应用允许的型号一样大，具有大的固体材料横截面（最小25 mm2）.
- 浓缩器宽度应为约3至4毫米。
- 芯线与导体的各个方向应保持最小间距3 ~ 4mm。
- 气隙应为3至5毫米。
- 非圆形聚光器形状必须在内角上尽可能圆润。
KT包中的Allegro线性传感器IC，例如A1363LKT.，理想地适用于这些高电流传感系统。