电流传感器

一、电流传感器发展历史

早期探索阶段

在电流传感器发展的早期，人们主要依靠简单的电磁感应原理进行电流的测量。例如，利用电流通过线圈产生磁场，再通过磁场对磁针等磁性元件的作用来间接反映电流的大小。这种方法虽然简单，但精度较低且操作不便。在这个阶段，测量的准确性和稳定性都受到很大限制，主要应用于一些对电流测量精度要求不高的简单电路中 。

基于传统原理的发展阶段

随着电磁学理论的不断发展，传统的电流互感器开始出现。电流互感器基于电磁感应定律，通过初级线圈和次级线圈的匝数比来实现电流的变换。它在电力系统等领域得到了广泛应用，能够将大电流变换为小电流以便于测量和保护设备的使用。然而，传统电流互感器存在一些局限性，如体积较大、存在磁饱和现象等。这一阶段的电流传感器在电力传输和分配等领域占据主导地位，但也面临着一些技术瓶颈需要突破。

现代新型电流传感器的兴起阶段

随着半导体技术、材料科学和微电子技术的飞速发展，新型电流传感器不断涌现。其中，霍尔电流传感器是一个典型代表。基于霍尔效应，霍尔电流传感器能够直接测量直流和交流电流，具有精度高、线性度好、频带宽等优点。它的出现大大拓展了电流传感器的应用范围，不仅在传统的电力领域，还在工业自动化、汽车电子等众多领域得到了广泛应用。此外，还有基于磁阻效应、巨磁阻效应等原理的电流传感器也逐渐发展起来，为不同的应用场景提供了更多的选择 。

工作原理：

（一）基于安培定律和磁感应定律的原理

安培定律表明通电导体周围会形成磁场，当导体中有电流通过时，磁场的方向垂直于导体的方向，通过磁场的变化就能确定通过导体的电流大小。在电流传感器中，根据这一原理，当电流通过时，会在其周围产生磁场，传感器通过检测磁场的相关特性来反映电流情况。例如，电流传感器中的空心环形铁芯（芯柱）会在被测电流通过时，引起铁芯周围磁场的变化。通常环形铁芯中间切开，电导体穿过，电流通过铁芯的一小部分（磁通路径或节流路径）时，磁场在这部分产生且垂直于节流路径，磁感应强度大小与电流大小成正比。这一原理常见于一些基于磁场感应和节流原理的电流传感器中 。

（二）霍尔效应原理

霍尔效应是指当通电导体周围有磁场时，导体的一侧会产生电压差。在电流传感器中，将一个磁敏电阻或霍尔元件放置在磁通路径上，当被测电流经过磁通路径时，磁敏元件受到磁场作用产生电压差，这个电压差与电流的大小成正比。比如，在一些开环电流传感器中，原边电流产生的磁通被磁芯聚集在磁路中，霍尔元件固定在很小的气隙中对磁通进行线性检测，霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后，副边输出与原边波形一致的跟随输出电压，能精确反映原边电流的变化。还有磁平衡式电流传感器（闭环），主回路被测电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。当主回路有电流通过时，导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，产生的信号输出驱动功率管使其导通获得补偿电流，多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场相反，补偿原来的磁场使霍尔器件输出逐渐减小 。

（三）电流互感原理

电流互感器这种特殊的电流传感器采用电流互感原理来测量高压电路中的电流。电路上的一段绕组（主绕组）通过信号绕组与磁芯连接起来，当主绕组中有电流通过时，信号绕组中会产生电压，这个电压与主绕组中的电流成正比。通过这种方式，实现了对高压电路电流的测量和转换，以便于后续的检测和控制等操作 。

（四）磁性感应法原理

这种传感器利用磁场感应原理来测量电流。当电流通过导体时，会在其周围产生磁场，电流传感器利用内部的磁感应元件来感应这个磁场，并将其转换成电信号输出。并且根据这一原理，电流传感器可以感应正电流和负电流。当电流为正时，磁场方向确定，传感器感应到磁场改变并转换为正电信号输出；当电流为负时，磁场方向改变，传感器同样能感应并转换为负电信号输出。同时，电流传感器的正负性还与其输出信号的表示方式有关，在某些情况下，输出信号以一定电压表示，电流为正时输出电压为正值，电流为负时输出电压为负值，但这并不意味着电流传感器具有正负极性，只是表示电流的方向和数值。

电流传感器技术突破

新型产品满足高压需求

迈来芯推出了MLX91220(5V)和MLX91221(3V)电流传感器新品，获得新安全认证UL/IEC62368 - 1，可满足更高电压隔离要求的系统。例如在电动汽车800V高压平台相关应用中，该平台电流测量范围广、电流变化速度快，要求电流传感器精度高、响应快且耐高压，这两款产品基本隔离（如SOIC8窄体封装基本隔离为715V，增强隔离为307V；SOIC16封装基本隔离1415V，增强隔离707V），具有300kHz的带宽，2微秒的短响应时间，支持0 - 50ARMS的电流范围，适用于高压充电器、汽车车载充电器(OBC)、DC/DC转换器、可再生能源逆变器、白色家电和机器人等应用场景。

二、高集成度方面的突破

集成化解决传统问题

纳芯微推出的NSM2311完全集成的高隔离电流传感器解决方案，采用DIP - 5封装设计。它解决了传统开环电流传感器模组体积大、成本高、精度不足等问题，能在紧凑封装中提供高性能电流检测，适用于储能、充电桩电源(UPS)以及小型驱动器等对产品尺寸有要求的应用。

三、测量技术革新方面的突破

去掉分流器的设计革新

Allegro发布的大功率电流传感器ACS37220和紧凑型贴片封装磁性电流传感器ACS37041去掉了传统电流感测中的分流器设计。传统分流器方案存在尺寸大（需多个元件如电阻器、放大器、滤波器占用PCB空间）、散热难（如增加PCB尺寸增加制造成本包括电路板制造和更大外壳）、复杂性高（需专门滤波器设计专业知识）等问题。Allegro的集成磁电流传感器尺寸更小（与同等分流器方案比较尺寸可减少7.2倍），引线框架的较低导体电阻可降低系统温度，还将传统分流电阻电路功能集成到单一封装中，简化了组件放置和设计流程。ACS37220可用于高达200A大电流监测应用。

市场概述

电流传感器作为一种关键的检测装置，广泛应用于多个领域，包括新能源汽车、智能电网、工业自动化等。随着技术的不断进步和市场需求的增长，电流传感器市场呈现出以下发展趋势：

市场需求增长

新能源汽车领域的应用：新能源汽车的发展推动了电流传感器市场的快速增长。特别是电池管理系统（BMS）对电流传感器的需求显著增加，用于精确监测电池充放电状态和电流大小。

智能电网的需求：智能电网的建设需要大量的电流传感器来实时监测电网中的电流变化，确保电网的稳定运行和电能的有效分配

工业自动化的推动：在工业自动化领域，电流传感器用于监控和控制电动机、变压器等设备，提高生产效率和安全性

技术创新与应用拓展

技术创新：电流传感器的技术创新主要集中在提高测量精度、降低功耗、增强抗干扰能力等方面。例如，磁电式、霍尔效应和光纤电流传感器通过不同的技术原理实现了各自的优势和应用场景。

应用领域拓展：随着技术的成熟和应用领域的扩展，电流传感器开始进入新的市场领域，如物联网、智能家居等，进一步增加了市场的需求潜力。

市场竞争格局

主要生产商及其市场份额：全球电流传感器市场的主要生产商包括Asahi Kasei Microdevices、Allegro Microsystems、Melexis等。这些企业在技术创新和市场拓展方面具有较强的竞争力。

未来发展趋势与前景展望

市场增长预测：预计到2030年，全球电流传感器市场规模将达到66.4亿美元，未来几年年复合增长率（CAGR）为9.2%

发展趋势：技术创新、应用领域拓展、产业链整合和品牌国际化将是未来电流传感器市场的主要发展趋势

面临的挑战：企业需要应对技术更新换代快、市场竞争激烈、供应链稳定性等挑战

电流传感器市场在未来几年将继续保持稳定增长，技术创新和应用拓展将成为推动市场发展的主要动力。同时，政策环境和市场竞争格局的变化也将对行业发展产生重要影响。