降低用電流傳感器和鐵磁芯進行大電流測量時的渦流影響

　　引言

　　用周圍的鐵磁芯測量母線排電流是一種常見技術。對于電動汽車充電等高于200A的大電流測量，Allegro建議使用專業的電流傳感器，比如與磁芯結合使用的A1367(圖1)。交流輸入往往在磁芯中產生渦流，這些渦流可以改變受測磁場，降低電流測量精度。本文重點討論交流電對電流測量的影響。請注意，本文中的所有結果均來自Ansys Maxwell軟件進行的電磁仿真。

　　圖1：采用磁芯和Allegro A1367構成的典型大電流測量系統。

　　測量原理

　　理想情況下，氣隙中的磁場H與母線排或電流導線中的輸入電流I完全成比例。因此，用線性磁場傳感器測量該磁場，并表征輸入電流和磁場之間的系數以測量該輸入電流就足夠了。該系數SC稱為耦合因子或核心靈敏度。然而，該耦合因子僅在有限的電流和頻率范圍內是恒定的，該系數的任何變化都會導致輸入電流測量誤差，典型的精度要求在測量電流的幾個百分點內。

　　渦流電流

　　渦流是倫茨定律(Lenz’s Law)的直接效應，它表明了由于變化的磁場在導體中產生的感應電流的方向和大小，該電流產生的磁場總是與導致感應電流的磁場變化相反。在使用鐵磁芯的交流電流傳感器應用中，隨切向磁場的變化，會在芯內部感應出渦電流。圖2是YZ橫截面示意圖，表示大鐵芯中的渦電流。這些渦流產生與激勵磁場Hexc相反的感應磁場Heddy。這在傳感器層面上表現為測量的核心靈敏度SC降低，或者說是電流測量誤差。

　　圖2：大磁芯中的渦流示意圖。

　　為了減小渦流，必須切斷磁芯中的電流路徑。使用薄片層疊芯可以實現這一點。這些薄片必須彼此電隔離。

　　層疊可以通過Y方向，或者通過Z方向疊片來實現(圖3)。渦流雖然還存在，但幅度已經減小。

　　圖3：疊層鐵芯和相應的渦流：軋制(左)和堆疊(右)

　　A1367典型應用

　　這里考慮將Allegro A1367LKT線性傳感器IC應用于典型的高電流應用。此應用中的最大峰值電流為600A，幾何結構如圖4所示。沿Z軸的核心長度為6mm。磁芯由鐵磁材料制成，如具有典型磁特性的晶粒取向硅鋼，如圖5所示。初始相對磁導率為10000，飽和時的磁極化為1.8T。注意，為簡單起見，不考慮磁滯，磁芯電阻率為45μΩ/cm。

　　圖4：磁芯設計。

　　圖5：核心磁特性。