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电流传感器在大电流检测中的设计技巧

作者:angelazhang时间:2015-10-11

本文旨在为平面霍尔电流传感器在大电流的应用(>500A)提供一些设计指导,以便帮助您获得最优的检测性能。


一、典型设计

在母线电流检测应用中,导体靠近U形磁屏蔽是为了获得均匀磁场环绕传感器,并保护磁场损耗。

典型的设计,通过传感器的磁场可以视为:


磁感应强度B最佳的目标值是25mT。在大电流的应用中,屏蔽罩可能变得相当宽(在I=800A时,要求W为40mm)。因此,一些额外的设计技巧需要考虑。

为了最佳的磁感应强度与机械性能,母线与屏蔽罩的尺寸应该相当。具体讲,屏蔽罩内部的宽度不应该超过母线宽度的1.5倍。一个宽的屏蔽罩包围一个窄的母线达不到预期的效果。

如显示在图1 在传感器的位置,母线宽度可以被调整到屏蔽罩内部宽度。这种设计轻微的减少了磁感应强度,只需要最小的改变原始的母线形状与尺寸,就可以提供更好的磁场均匀性与机械稳定性。

图1 在传感器位置增大母线的设计


二、用微控制器补偿非线性度

迈来芯电流传感器MLX91206和MLX91208可操作的磁场范围规定是±25mT。在这个磁场范围之内,传感器的最大非线性度为±0.5%F.S。以下为MLX91206(MLX91208结果类似)的非线性曲线。随着磁感应强度的增加,非线性度增加得比较缓慢。在30mT时仍然小于1%,在40mT时为2-2.5%。因此,根据应用要求,传感器仍可以使用在磁场高于25mT的环境下。

图2 MLX91206 非线性[%F.S] vs 应用磁场[mT]


由于输出在长时间运行与过温都非常稳定,可以用一个微控制器来补偿在高磁场强度/电流下的非线性度。在高、低电流时改变灵敏度可以用来增大测量范围,在高灵敏度时检测低电流,高电流时降低灵敏度。从图3这个例子可以看出,一个线性输出功能(点线)可以钳位在600A,然而非线性输出功能允许更高的电流检测(同样的灵敏度/分辨率可以用作低电流检测)

图3 非线性用作增大测量范围


三、开槽的母线帮助减少磁感应强度

在大电流的应用中,为了减少磁感应强度,一个有效的方法就是在传感器下面开一个槽( 图4)

图4 开槽母线(上面:剖视图,下面:顶视图)


图5显示一个800A电流在24mm宽,与没有开槽的8 mm(1/3母线宽)的母线上模拟的结果。在垂直距离3mm位置,磁场通过传感器为25,而不是34mT(低25%)。
由于开槽是位于传感器的下面,这种设计方法对电源消耗的散发出来的热量没有太大的影响。

图5 磁感应强度[mT] VS 母线表面的垂直距离[mm]


四、分离母线替代极宽的屏蔽罩

为了测量大电流,而不需要使用非常宽的屏蔽罩,另一个可选的方法就是分离母线,因此只有一部分的电流被测量(看图6)。由于这种配置,屏蔽罩可以做得非常小并且成本更低。

图6 电流分离概念(顶视图与剖视图)


例如:假设一个800A的电流,流过40mm的母线的应用。

一个简单的解决方法就是增加一个内壁为40mm的屏蔽罩。通过传感器的磁感应强度大概为25mT。
通过增加一个8mm的槽,可以使用一个更小体积的解决方案来完成,母线的一侧为8mm。如图7所示,导致在右边部分的电流为200A(1/4)。为了达到同样的磁场强度(25mT),因此,屏蔽罩可能做得小4倍(10替代40mm)。

图7 在800A电流分离解决方案


五、通过频率响应判断最佳应用性能

电流传感器的典型响应时间,MLX91206是8ms,MLX91208是4ms。然而,电流传感器的频率响应不仅仅与传感器的速度有关,也与高频磁场性能有关。

当频率增加,母线的电流分配变得非均匀。显示如图8所示,电流在边缘的密度更高,在导体的中心密度更低。这种现象叫做“趋肤效应”。

图8 电流在10HZ、10KHZ、100KHZ(从左到右) 的分配


图9显示了不均匀的电流密度产生的磁场对传感器的影响。在母线的中间,磁场的幅度在10KHZ时小于0HZ时的30%。在高频的应用中,最佳性能应该靠近母线的边缘,而不是中心。


图9 参考0HZ的相对磁场密度



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