閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

自1879年美國(guó)物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來(lái)，霍爾技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)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(kāi)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?cái)U(kuò)展了該項(xiàng)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(chǎng)中時(shí)（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(shì)差，該電勢(shì)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(guò)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(guò)測(cè)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(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制出了用于測(cè)量磁場(chǎng)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(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱(chēng)霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，將在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線(xiàn)形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反映出導(dǎo)線(xiàn)中的電流大小，即

I∝B∝VH（2）

式中：I為通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流；B為導(dǎo)線(xiàn)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(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)VH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為開(kāi)環(huán)（或稱(chēng)直測(cè)式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類(lèi)為閉環(huán)（或稱(chēng)零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對(duì)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(hào)放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱(chēng)為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是其精度、線(xiàn)性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為了克服開(kāi)環(huán)傳感器的不足，上世紀(jì)80年代末期，國(guó)外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠(chǎng)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，這種傳感器在國(guó)內(nèi)逐漸為廣大用戶(hù)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(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線(xiàn)圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)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(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即

N1×IN=N2×IM（3）

式中：N1為原邊線(xiàn)圈的匝數(shù)；N2為副邊線(xiàn)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(xiàn)圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)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(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)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(lái)出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測(cè)量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：

1） 可以同時(shí)測(cè)量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；

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

3）電流測(cè)量范圍寬，可測(cè)量額定1mA～50kA電流；

4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；

5）線(xiàn)性度優(yōu)于0.1％IN；

6）響應(yīng)時(shí)間<1μs；

7）頻率響應(yīng)0～100kHz。

傳感器在車(chē)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(dòng)，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(shuō)明這種傳感器的應(yīng)用。

在某型地面車(chē)輛上裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)部件，通過(guò)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，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(shí)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(xiàn)穿過(guò)CHB－300S/SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB－300S/SP1檢測(cè)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(diǎn)，依據(jù)此信號(hào)，對(duì)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(guò)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(yǔ)

該傳感器能夠滿(mǎn)足車(chē)用發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電流檢測(cè)的技術(shù)要求，已在多套地面車(chē)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果受到專(zhuān)家的肯定。