基于隧道磁阻效应的电流传感器设计_陈玲君.pdf

8电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计文献引用格式：陈玲君，徐少华.基于隧道磁阻效应的电流传感器设计 J.电视技术，2022，46（12）：8-13.CHEN L J，XU S H.Design of electronic current sensor based on tunneling magnetoresistance effectJ.Video Engineering，2022，46（12）：8-13.中图分类号：TM74 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2022.12.003基于隧道磁阻效应的电流传感器设计陈玲君，徐少华（绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000）摘要：针对复杂电流环境下高精度电流采样的需求，设计基于隧道磁阻效应的电流传感器，它能有效实现在直流和偶次谐波影响下的高精度电流采样，直接替换微型电磁式电流互感器。研制了基于隧道磁阻效应的电子式电流传感器样机并进行实验，在直流（半波）条件下测试，电子式电流传感器采样的电表用电量与锰铜采样的电表用电量基本接近，误差基本为零，而电磁式电流互感器采样的电表在不同功率因数下计量都不准确。该传感器能够广泛应用于智能电网、新能源和广播电视领域设备的电流测量，如新能源汽车、直流充电桩等应用。关键词：隧道磁阻效应；电流传感器；偶次谐波Design of Electronic Current Sensor Based on Tunneling Magnetoresistance EffectCHEN Lingjun,XU Shaohua(Shaoxing Vocational&Technical College,Shaoxing 312000,China)Abstract:In this paper,aiming at the demand of high-precision current sampling in complex current environment,a current sensor based on tunnel magnetoresistance effect is designed,which can effectively realize high-precision current sampling under the influence of DC and even harmonics and directly replace the miniature electromagnetic current transformer.A prototype of tunnel magnetoresistance effect current sensor was developed and tested under the condition of direct current(half wave).The electricity consumption of the electric meter sampled by the electronic current sensor is basically close to that of the manganese copper meter,and the error is basically zero.However,the electricity meters sampled by the electromagnetic current transformer are inaccurate under different power factors.Therefore,the sensor can be widely used for current measurement in smart grid,new energy charging and radio and television equipment fields,such as new energy vehicles,DC charging piles and other applications.Keywords:tunnel magnetoresistance effect;current sensor;even harmonic0 引 言近年来，随着新的发电方式和储能方式的推广使用，如新能源大量使用可控硅、整流和变频设备等，交流电网的直流分量呈上升趋势。在直流分量作用下，电磁式电流互感器的主磁通为直流磁通与交流磁通的叠加，直流分量全部用来励磁。由于铁芯励磁特性的非线性，直流分量的增加，使得励磁电流呈现正负半周不对称的形状，产生大量谐波。这些都将直接影响电力系统中采用电磁感应原理工作的设备。一旦发生测量失误，将导致电力部门或用电部门亏损。随着隧道磁阻传感器的快速发展，国内外学者对基于隧道磁阻效应的电子式电流传感器开展了深入研究。天津大学陈晓芳1研究了隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）电流传感器复 基金项目：校级科研项目（SZK202055）；中国民办教育协会规划课题（学校发展类）（CANFZG22186）。作者简介：陈玲君（1983），女，硕士，副教授，研究方向为电能计量。电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)9PARTS&DESIGN器件与设计杂电磁环境抗干扰技术，重庆理工大学马绍波2研究设计了基于隧穿磁阻效应电流传感器的绝缘子泄漏电流检测系统，南京理工大学史轮3仿真分析了闭环隧道磁电阻电流传感器在直流电源配电网中的适用性，天津大学刘卿4研究了隧穿磁阻电流传感器失调与噪声消除技术，电子科技大学陈亚锋5研究了基于 TMR 传感器的大电流测量技术，东南大学单婷婷6研究了基于机器学习及隧穿磁阻传感器测量技术的空间电荷分布，兰州大学芮胜骏7研究了基于 TMR 的开环数字式电流传感器的动态范围和精度。由上述分析可见，尽管众多学者已经在隧道磁阻效应的电子式电流传感器上面做了许多尝试，但几乎没有具体给出抗直流分量和偶次谐波影响的误差特性。本文设计的隧道磁阻效应电流传感器，使用TMR 磁场传感器放置于圆形铁芯的一个缺口处，用来测量铁芯内的磁通量，并通过运算放大器将补偿线圈的一端电压改变，从而测量另一端测量电阻上的输出电压，通过改变端点电压的方式抵消感应磁场产生的感应电压，从而可大大提高测量的灵敏度，能有效实现直流和偶次谐波在功率因数 0.5 L 下误差影响量不超过 1.0%（功率因素 0.5 L 表示负载呈感性功率因素为 0.5）。1 电磁式电流互感器在直流分量下的超差分析在直流分量作用下，电磁式电流互感器的主磁通为直流磁通与交流磁通的叠加，直流分量全部用来励磁。由于铁芯励磁特性的非线性，直流分量的增加，使得励磁电流呈现正负半周不对称的形状，产生大量谐波。传统的电流互感器的传变特性变差，最终使铁芯饱和，导致误差增大，使电能计量的准确性受到影响。对正弦半波波形进行分析，直流含量为基波含量的 60%以上，是最为严重的直流偏磁状态8。参照国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的 IEC 62053-21 标准，国内提出了 电测量设备（交流）特殊要求 第 21 部分：静止式有功电能表(A级、B级、C级、D级和E级)（GB/T 17215.3212021）标准，三相直接式电能表在直流和偶次谐波条件下的影响量试验，在功率因素 0.5L 的情况下，电能表误差要小于 3%9。为确保交直流分量下电流互感器的误差测量性能，现有的电磁感应式抗直流分量电流互感器一般采用双铁芯或特殊材料单铁芯作为铁芯材料。功率因数 1.0 时，测量误差不高于 3%，满足标准要求。其波形如图 1 所示。图 1 功率因数 1.0 时的波形功率因数 0.5L 时，由于铁芯励磁的非线性，再受功率因数影响，角差测量存在偏差，测量误差在+10%以上，不能满足标准要求。如采用软件补偿，无法精准捕捉测量点角差，精准补偿有难度10。2 隧道磁阻效应电流传感器的原理和方法2.1 结构设计隧道磁阻效应电流传感器结构受霍尔电流传感器的启发，运用隧道磁阻（TMR）技术利用磁性多层膜材料磁电阻效应11，以感应磁场强度来准确测量电流、位置、方向等物理参数，主要分为开环式和闭环式两种。采用闭环式，如图 2 所示，隧道磁阻效应电流传感器主要包括 TMR 磁场传感器、磁芯、补偿线圈、运算放大器及测量电阻等。补偿线圈围绕在磁芯上，磁芯旋转在电线周围且保持同心并具有一个缺口，TMR 磁场传感器位于铁芯缺口中心位置且保持水平，用于检测从铁芯处产生的磁场，如图 3 所示，单个 TMR 磁场传感器由 4 个 TMR 按电桥方式连接并输出相对应的电压信号。当电流稳定时，铁芯内磁通量稳定，上下两侧 TMR 线性磁场传感器输出电压幅值相等；当电流增大时，铁芯内磁通量增大，上侧 TMR 线性磁场传感器输出电压大于下侧；当电流减小时，铁芯内磁通量减小，上侧 TMR 线性磁场传感器输出电压小于下侧。因此，可以通过检测两侧 TMR 传感器的压差实现电流测量12。10电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计图 2 电子式电流传感器结构原理图图 3 TMR 磁场传感器全桥结构2.2 电子式电流传感器原理电子式电流传感器的电学模型如图 4 所示。图 4 电磁互感原理图当电线中存在电流时，补偿线圈中存在的磁感应强度8为()2oi tBx=（3）式中：B为磁感应强度，0为铁芯的磁导率。通过线圈的磁通量为=BdS（4）式中：S为补偿线圈截面积。可得到线圈输出的电压为()()()dddddd2oBi ti tNu tNStk Bxtt=（5）式中：kB为灵敏度系数，N为线圈的匝数。TMR 线性磁场传感器当外加敏感方向磁场强度-8 8 mT 时，TMR 线性磁场传感器输出电压与磁场强度成正比，灵敏度可达kB=31 mV/（VmT）。由于电线中存在着不稳定电流，将使补偿线圈内存在感应电势、内阻、电容，通过如图 5 所示的电学模型对感应电流进行分析，可得测量电阻电压为13：()()()()refddBSSi tu tk V Bu tLR i tt=+（6）式中：21 d2oSNLSx=，()()()ddSu tu ti tCtR=+，Vref为 TMR 传感器的供电电压。对式（6）消去i(t)后，进行拉氏变换并化简，得到：(as2+bs+c)U(s)=MsI(s)-dI(s)+au?(0)+(as+b)u(0)（7）式中：a=LsCs，sssLbR CR=+，1sRcR=+，0ref02Bdk Vx=。暂时令u?(0)和u(0)为零，计算在正弦稳态信号作用下，可以得到电流传感器的传递函数和幅频特性为()()()2jj=jUsMdGI sabc=+（8）()()()()()()222223222UsI sbMbcadbcMaMcab=+（9）从式（6）、式（7）、式（8）和式（9）可以看到，为了达到精确灵敏度，必须使得传递函数的幅值较小14。3 试验测试与分析为进一步获得直流和偶次谐波电流激励下测量数值与各相关要素之间的关系，搭建如图 6 所示 电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)11PARTS&DESIGN器件与设计的测试原理图，测试三相电能表校验检测。根据以上测试原理进行实物测试，试验样机及测试系统如图 7、图 8 所示。试验样机由 5 只样表组成，分别是双磁芯抗直流分量互感器采样（以下简称电磁感应式电流互感器）的三相表、隧道磁阻效应电流传感器采样（以下简称电子式电流传感器）的三相表和三只锰铜采样的单相表（A 相、B 相、C 相）。主要试验仪器包括三相电能表校验测试仪（输出交流电压为 220 V，最大电流 20 A）及 MSO6014A 型混合型号示波器等。三只单相表都采用锰铜