使用Allegro Hall效应传感器IC设计用于高电流传感应用的集中器的指南雷竞技最新网址
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由Cedric Gillet和Andreas Friedrich
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与任何半导体器件一样，Allegro™提供的集成电流传感解决方案可以限制在最大允许电流和可容忍的隔离电压。能量耗散和包装尺寸是极限参数。对于大电流应用(> 200a)， 雷竞技最新网址Allegro建议使用带有霍尔效应传感器IC的磁集中器(图1)。该系统由围绕电流导体的铁磁集中器组成，并设计了一个小窗口，称为气隙，传感器IC放置于其中。本文档的目的是为设计高电流聚光器提供基本指导。
图1.典型的高电流传感系统，具有集中器。
介绍
集中器将通过导体的电流产生的磁通量线集中在霍尔效应磁传感器集成电路所在的气隙中心。集中器(也称为磁选器)的效率核心）并且因此对电流检测系统，至关重要地取决于以下因素：
- 核心材料
- 核心维度
- 气隙
- 核心几何
下面几节将逐一详细介绍这些因素。
浓缩器材料
聚光剂材料的选择是通过微妙的损害在其渗透性，电阻率和成本之间进行的。为了将磁通线集中在传感元件上，芯必须在高电流下饱和。因此，它必须具有高渗透性相对于空气，但不如永磁体材料高，以避免暴露于高电流后的不希望的残余磁化，这产生测量滞后。铁合金如硅铁（Fesi）或Feniickel（Feni）的家族最常用于电力应用，因为它们具有高渗透性等高饱和点（图2）。雷竞技最新网址
图2。FeSi(3%)和1010钢的核心增益。对于相同的铁芯，FeSi产生更高的增益斜率(1g(高斯)= 0.1 mT(毫特斯拉))。
铁的缺点是电阻率低，容易受到涡流(感应反向电流)的影响，从而降低了频域电流测量的精度。为了减少这种影响，铁必须被合金成导电性较低的材料，如硅。此外，建议使用通常为0.3 mm厚度的层对核心进行层叠，这将显著减少涡流(层越薄，涡流越小)(图3)。每一层还必须涂上硅以提高效率。
图3。散装材料(左)和层压材料(右)中的涡流。层压材料减少了涡流。
其他材料，例如羰基熨斗，无定形金属或铁氧体，乍一看似乎有吸引力，但由于它们随时间（羰基熨斗）或由于其较大的磁滞（无定形金属）而导致它们的磁性降低，因此不推荐。尽管铁氧体具有较低的成本和更高的电阻率（最小化涡流），但它们也具有较低的渗透性和相当低的饱和点，使它们不适用于高电流应用。雷竞技最新网址
集中器尺寸
假设圆形环形芯，其尺寸由其外径（O.D.）的尺寸限定，其内径（即）及其厚度（图4）。所有三个都定义了气隙处的核心横截面的区域。
图4.集中尺寸
在固定气隙长度(E)和横截面积下进行的磁模拟表明，最佳磁芯宽度(W)约为3至4 mm，可获得最佳磁浓度(图5)。
图5。磁场与磁芯宽度(外径-内径)。在气隙中心测量磁通密度(B) (1g(高斯)= 0.1 mT(毫特斯拉))。
额外的磁性评估表明，核心的直径越大，饱和点越高。类似地，芯的横截面越大，饱和点越高。重要的是要注意，聚光器的直径（假设恒定宽度W，在O.D.和I.D之间）不会显着影响其磁增率，而只是其饱和点（图6）。
图6.芯横截面和直径对磁场磁通密度（B）的影响。相对直径不会显着影响磁增率，但确实影响了核心的磁饱和点。
显然，浓缩器直径和横截面应与应用允许一样大。此外，建议在电流导体和浓缩器之间留下至少3至4mm的间距，以确保浓缩器在更高的电流下不饱和。
集中器气隙
气隙（E）的长度是集中器设计的关键参数，因为它直接定义了系统的增益。气隙（在恒定的横截面积）越小，增益越高。然而，如果气隙太窄，则芯的残余磁滞变得显着，从而降低了较小电流的精度性能。推荐的气隙在3到5毫米之间。空气隙明显必须调整到传感器封装厚度。图7报告了具有不同气隙的集中器的不同收益。
图7。气隙对磁场磁通密度的影响(B)。气隙越小，磁增益越大，但在气隙较小处出现的饱和点限制了电流传感范围。
集中器几何
只要集中器将磁通量线集中到传感元件上，集中器的几何形状就不会对系统产生巨大的影响。通常，磁芯是圆形的，以集中通量线在一个方向和避免角度影响，但也可以使用矩形集中器。对于矩形铁芯，建议将铁芯的内角圆角化，以避免磁集中效应(图8)。对于铁芯的外角，圆角不太重要，因为这些角离导体更远。
图8.矩形集中器配置。相同的设计规则适用于圆环集中器。另外，内角和任选的外角必须圆形以避免角度效应。
结论
应通过应用以下规则优化用于高电流传感应用（> 200a）的集中器的设计：雷竞技最新网址
- 核心应该是FeSi或FeNi。
- 核心必须是层压和涂硅材料。
- 芯的直径应尽可能大的应用程序允许，与大的固体材料横截面(最小25毫米2）。
- 浓缩器宽度应在3 ~ 4mm左右。
- 在核心和导体之间保持3至4 mm的最小间距距离。
- 气隙应在3 ~ 5mm之间。
- 非圆形聚光器形状必须尽可能在内角圆形。
在KT封装的Allegro线性传感器ic，例如A1363LKT，非常适合这些高电流传感系统。