高功率应用电流测量的新方法

为了解释零通量技术的操作，首先考虑一些基本原理是适当的。在图 1 中，左上角显示了围绕磁棒构建的拾波线圈；右上角显示了带有电阻器和电感器的等效电路。当施加电压时，电路中的电流如红色曲线所示。电流按照电感值的斜率逐渐增长，直至电感饱和。在这种情况下，等效电路可以被认为只是电阻性的。

创建零磁通电流传感器时，用于拾取棒的材料具有特定的磁性，导致电流遵循蓝色曲线。初，由于阻抗值较高，电流增长缓慢。然后，电感突然饱和，电流非常迅速地增加，以达到先前的终点。

图 1. 零磁通电流传感器工作的基本原理。

如果现在施加方波电压信号，电流曲线将变成一系列正负饱和和去饱和周期。如果导体靠近磁通门元件放置，电流循环将产生额外的磁场，该磁场将通过移动零位置来影响信号（图 2a - 蓝色曲线）。，对二次谐波执行的信号处理揭示了有关初级电流的详细信息（图 2a - 紫色曲线）。

图 2. 移动零位 (2a)；闭环原理(2b)。

为了进一步提高电流检测的性能，制造商通常将零磁通技术与闭环原理结合起来，如图 2b 所示。这里，磁通门元件放置在气隙中，在测量磁场期间，电流输出通过次级绕组重新注入，然后次级绕组产生相反方向的磁场。使用这种方法，磁通门所经历的磁场始终为零，从而消除了偏移和线性问题。

目前有四种主要的零通量拓扑（图 3）。个 (3a) 基于带有气隙的磁芯以及次级绕组。它类似于闭环霍尔效应电流传感器，其中气隙中的霍尔元件已被磁通门取代。主要好处是良好的失调漂移。第二种拓扑 (3b) 是单核，充当磁通门元件。由于没有气隙，其主要优点之一是其 EMC 稳健性和高分辨率。但由于很快就会饱和，带宽被限制在几赫兹。第三种拓扑通过添加仅测量交流信号的绕组芯 (3c) 解决了这个问题，就像电流互感器一样。在这种情况下，您将获得所有好处。然而，如果需要更高的性能，“平衡”(3d) 拓扑采用两个相对放置的相同磁通门元件。因此，无论外部环境条件如何（例如 EMC 或温度变化），两个传感元件之间都会存在自然的无源补偿。使用这种方法，即使在恶劣的环境下也可以实现 1ppm 的测量精度。

图 3. 零通量拓扑

磁通门技术可用于为所有电流水平提供非常准确、稳定和可重复的电流测量，Danisense 开发了一系列涵盖 0-600A、600-3000A 以及 3kA 以上的电流感应传感器。对于本文部分讨论的电流非常高的新兴市场，Danisense 必须应对新的挑战，但目前正在开发高达 30kA 的解决方案，并且可以看到磁通门方法没有理论上的限制。

隔离和安全是高功率应用的关键要求。管理标准是 IEC 61010。与该公司针对低电流应用提供的产品不同，Danisense 的 DR50000IM (8kA) 和 DR10000IM (11kA) 电流传感传感器（图 4）将传感头与电子信号处理单元分开。

传感头是一种坚固的无源设备，可以在嘈杂的电气环境中长期放置和放置，而不会受到由于涉及高电流而不可避免地存在的任何干扰的影响。复杂的信号调节和处理可以在安全、温控的良性实验室环境中远程完成，该环境可以距离传感头 30m。通过以这种方式分离电流传感传感器的功能，无源传感头也可以变得足够坚固，以应对具有挑战性的环境条件。此外，在高磁场环境附近工作是危险的，因此这种方法限度地减少了操作员在磁场中操作传感器（例如连接电源和输出）的需要，从而提高了安全性。

Danisense 的新型高电流传感器还具有 7kHz 的低激励频率。对于较小的产品，高达 32kHz 的更高激励频率，因为这可以提高动态性能。然而，对于 DR 系列传感器来说，以高频饱和如此大的磁芯将需要高功率电路，该电路可能很大且昂贵。通过降低频率，Danisense 已经能够在动态性能和功率水平之间实现良好的平衡。

专门设计的电缆具有多个双绞线，具有由第二个整体屏蔽层包围的单独屏蔽，用于连接传感头和电子处理阶段。如果传感头和处理单元之间的距离超过 30 米，Danisense 使用三根线代替一根线来补偿电流，以降低电流值，进而降低阻抗效应。

Danisense 的 DR50000IM 和 DR10000IM 电流感应传感器具有 100kHz 的高带宽，并且非常稳定，线性误差仅为 1ppm。该公司还提供这些传感器的等效电压输出版本 - DR50000UX (8kA) 和 DR10000UX (11kA)。