下載 PDF 版本

作者：Cedric Gillet 和 Andreas Friedrich
Allegro MicroSystems, LLC

和任何半導體裝置一樣，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受的最大允許電流和隔離電壓范圍內。能量耗散和包裝尺寸是限制參數。對于大電流應用 (>200 A)，Allegro 建議使用配有霍爾效應傳感器 IC（圖 1）的磁集中器。該系統由環繞電流導體的鐵磁體集中器組成，這些集中器設有稱為氣隙的小窗口，傳感器 IC 就布置在氣隙內。此文檔的目的是為設計大電流集中器提供基本指導。

圖 1。配有磁集中器的典型大電流傳感系統。

簡介

集中器將導體電流產生的磁通線集中在氣隙中心，而霍爾效應磁傳感器 IC 也布置在此處。集中器（也稱為磁芯）的效率以及相應的電流傳感系統的效率主要取決于以下因素：

• 磁芯材料

• 磁芯尺寸

• 氣隙

• 磁芯幾何形狀

以下各節逐一詳細介紹了上述每個因素。

集中器材料

集中器材料的選擇是其磁導率、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空氣較高的磁導率，但不能高到永磁材料的水平，以避免暴露于高電流時，產生不良的殘余磁化效應，這會導致測量磁滯。硅鐵 (FeSi) 或鎳鐵 (FeNi) 等鐵合金材料最常用于電源系統，因為這種材料具有很高的磁導率和高飽和點（圖2）。

圖 2。硅鐵（3％）和 1010 鋼的磁芯增益。對于相同的磁芯，硅鐵產生的增益斜率較高（1 G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。

鐵的缺點是電阻率較低，這使其容易受到渦流（感應反向電流）的影響，從而降低在頻域中的電流測量精度。為了盡量減少這種效應，鐵必須和硅等低導電率材料組成合金。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、非晶態金屬或鐵素體）粗看可能有吸引力，但目前不建議使用，因為這些材料的磁特性會隨時間的推移而劣化（羰基鐵），或是具有較大的磁滯（非晶態金屬）。盡管鐵氧體的成本低，電阻率高（最大限度減少渦流），但鐵氧體的磁導率較低，飽和點很低，因此不太適合大電流應用場合。

集中器尺寸

假定使用圓形、環形鐵芯，其尺寸由外徑 (O.D.)、內徑 (I.D.) 和厚度 (T) 的尺寸限定（圖4）。這三個尺寸定義了氣隙處鐵芯截面積大小。

圖 4。集中器尺寸

以固定氣隙長度 (E) 和截面積運行磁模擬已經表明，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。磁場與磁芯寬度 (O. D. – I. D.)。磁通密度 (B) 在氣隙中心測量（1G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。

附加磁性評估表明，磁芯直徑越大，飽和點越高。同樣地，磁芯截面積越大，飽和點越高。需要注意的是，集中器的直徑（假設外徑 O.D. 和內徑 I.D. 之間具有恒定寬度 W）不會顯著影響其磁性增益，只會影響其飽和點（圖6）。

圖 6。磁芯截面積和直徑對磁通密度 (B) 的影響。相對直徑不會顯著影響磁性增益，但的確會影響磁芯的磁飽和點。

顯然，在應用允許條件下，集中器直徑和截面積應盡可能大。此外，建議在導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飽和。

集中器氣隙

氣隙 (E) 長度是集中器設計的關鍵參數，因為它直接定義了系統的增益。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的精度。建議氣隙為 3 - 5 mm。顯然，必須根據傳感器封裝厚度調整氣隙。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。氣隙對磁通密度 (B) 的影響。氣隙越小，磁增益越大，但小氣隙導致的飽和點限制電流傳感范圍。

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對系統產生巨大的影響。通常，磁芯采用環形，可以將磁通線沿一個方向聚集，并避免角度效應，但也可以使用矩形集中器。如果使用矩形磁芯，建議將磁芯的內角倒圓，以避免磁集中效應（圖8）。在磁芯外部，倒圓角相關性較低，因為這些角遠離導體。

圖 8。矩形集中器配置。圓形環集中器適用于相同的設計規則。此外，為了避免角度效應，內角必須倒圓，外角可以倒圓。

總結

大電流傳感應用設計（> 200 A）的集中器應使用以下規則進行優化：

• 磁芯應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。

• 在應用環境允許條件下，磁芯直徑應盡可能大，并使用較大的材料截面積（最小 25 mm ² ）。

• 集中器寬度應為約 3-4 mm。

• 在所有方向上，保持磁芯和導體之間具有最小間距 3 - 4 mm。

• 氣隙應為 3 - 5 mm。

• 非環形集中器形狀必須使內角盡可能為圓形。

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系統。