閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

自1879年美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，霍爾技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，由霍爾器件應(yīng)用開發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有了很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大地擴(kuò)展了該項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

霍爾效應(yīng)及霍爾器件

霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場中時（如圖1），半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓VH，VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算有式（1）關(guān)系。

VH=（RH/d）×B×IC（1）

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。

式（1）中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制出了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。

 
圖1:霍爾效應(yīng)原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過一根導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測得的輸出信號，直接反映出導(dǎo)線中的電流大小，即

I∝B∝VH（2）

式中：I為通過導(dǎo)線的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)后，上述關(guān)系可以表示為等式。

對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設(shè)計了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)（或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾器件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接進(jìn)行信號放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點是電路形式簡單，成本相對較低；其缺點是其精度、線性度較差，響應(yīng)時間較慢，溫度漂移較大。為了克服開環(huán)傳感器的不足，上世紀(jì)80年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠引進(jìn)國外技術(shù)在國內(nèi)率先開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器在國內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)用。

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的（如圖2），即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場，通過一個副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時，即

N1×IN=N2×IM（3）

式中：N1為原邊線圈的匝數(shù)；N2為副邊線圈的匝數(shù)。

由式（3）可以看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。

 
圖2:閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

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閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能

閉環(huán)霍爾電流傳感器是近10年來出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測量方法相比亦有許多優(yōu)點。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點：

1） 可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；

2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～12kV；

3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA～50kA電流；

4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；

5）線性度優(yōu)于0.1％IN；

6）響應(yīng)時間<1μs；

7）頻率響應(yīng)0～100kHz。

傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功地應(yīng)用于逆變焊機(jī)，發(fā)電及輸變電設(shè)備，電氣傳動，數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品上。表1以額定電流為300A的CHB－300S型霍爾電流傳感器為例，說明這種傳感器的應(yīng)用。

在某型地面車輛上裝備了一套獨立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計選用了CHB－300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測部件，通過對傳感器的輸出信號進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點，確保發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB－300S的應(yīng)用，很好地實現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。如圖3所示，發(fā)電機(jī)G輸出正端匯流母線穿過CHB－300S/SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB－300S/SP1檢測發(fā)電機(jī)的輸出電流，傳感器的輸出IM與發(fā)電機(jī)控制盒相連，由發(fā)電機(jī)控制盒設(shè)定發(fā)電機(jī)的輸出電流控制點，依據(jù)此信號，對發(fā)電機(jī)的輸出電流加以限制，避免發(fā)電機(jī)因輸出功率過高而發(fā)生故障或損壞，從而保證發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

 
圖3：CHB－300S傳感器的應(yīng)用

結(jié)語

該傳感器能夠滿足車用發(fā)電系統(tǒng)對電流檢測的技術(shù)要求，已在多套地面車輛的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實驗測試，測試結(jié)果受到專家的肯定。