降低用电流传感器和铁磁芯进行大电流测量时的涡流影响

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降低用电流传感器和铁磁芯进行大电流测量时的涡流影响

2018-11-12

用周围的铁磁芯测量母线排电流是一种常见技术。对于电动汽车充电等高于200A的大电流测量，建议使用专业的电流传感器，比如与磁芯结合使用的A1367(图1)。交流输入往往在磁芯中产生涡流，这些涡流可以改变受测磁场，降低电流测量精度。本文重点讨论交流电对电流测量的影响。请注意，本文中的所有结果均来自Ansys Maxwell软件进行的电磁仿真。

　　图1：采用磁芯和Allegro A1367构成的典型大电流测量系统。

　　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。

　　涡流电流

　　涡流是伦茨定律(Lenz’s Law)的直接效应，它表明了由于变化的磁场在导体中产生的感应电流的方向和大小，该电流产生的磁场总是与导致感应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。

　　图2：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。

　　层叠可以通过Y方向，或者通过Z方向叠片来实现(图3)。涡流虽然还存在，但幅度已经减小。

　　图3：叠层铁芯和相应的涡流：轧制(左)和堆叠(右)

　　A1367典型应用

　　这里考虑将Allegro A1367LKT线性传感器IC应用于典型的高电流应用。此应用中的最大峰值电流为600A，几何结构如图4所示。沿Z轴的核心长度为6mm。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，磁芯电阻率为45μΩ/cm。

　　图4：磁芯设计。

　　图5：核心磁特性。

直流磁芯灵敏度SC的评估范围为0到600A。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2.36G/A。在双极性模式下，A1367使用±2V输出范围。因此，IC灵敏度约为1.4mV/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。

　　图6：DC磁芯磁性能。

　　图7：600A DC的磁芯磁化强度(特斯拉)。

　　现在，正弦电流以600A的峰值提供给母线。

　　评估三个磁芯：

　　大铁芯

　　沿Z方向层压0.375mm叠片

　　沿Z方向层压0.250mm叠片

　　图8显示了磁芯灵敏度衰减δ随频率的变化。频率f下的衰减百分比定义为：

　　SCf是频率f下的核心磁灵敏度。SC_DC是直流和10A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100Hz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5kHz，300A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300A时已经下降，而铁芯通常在DC大于600A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5kHz和600A条件下，0.375mm叠层铁芯截面内的涡流强度密度。