淺談大電流檢測的霍爾傳感器選型與應用

摘要:介紹了傳統開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾傳感器的基本原理,并就傳統霍爾傳感器配合磁環(huán)的方法和新型磁集極霍爾傳感器在大電流檢測中的應用方案進(jìn)行了對比,分析了它們的缺點(diǎn)。重點(diǎn)研究了磁集極霍爾傳感器在電動(dòng)汽車(chē)中的電機控制器的大電流情況下的測量應用,實(shí)驗結果表明:其具有測量范圍寬、高線(xiàn)性度、低磁滯、高靈敏度、體積小、價(jià)格低等點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:霍爾傳感器;大電流檢測;磁集極

0引言

電流檢測在電動(dòng)汽車(chē)的控制、保護、監測、動(dòng)力管理等方面有著(zhù)重要的應用。例如:電機驅動(dòng)控制、變頻控制、過(guò)載保護、電池荷電狀態(tài)監測等。但在電流測量中存在2個(gè)困難:1)測量?jì)x表不方便直接串入電路中;2)電流檢測電路與被測電路不能直接耦合,否則,會(huì )影響被測電路的直流工作點(diǎn)?；魻杺鞲衅饔捎诰哂畜w積小、功耗低、噪聲小、隔離效果好等點(diǎn),在電流監測方面受到廣泛的青睞。特別是霍爾傳感器配合磁環(huán)的設計一直被廣泛地使用。但由于傳統的霍爾傳感器的靈敏度比較低,輸出信號有偏置電壓和噪聲,對于處理電路要求高,系統成本高。傳統的霍爾傳感器如果使用不當,它的霍爾電壓UH與磁感應強度B為非線(xiàn)性關(guān)系,且存在不平衡電壓UHe,嚴重影響檢測系統的精度。通常采用集磁環(huán)來(lái)提高霍爾傳感器的靈敏度,但是集磁環(huán)和霍爾傳感器是分離的,體積龐大,不便于在實(shí)際檢測系統中應用?；诨魻栃拇偶瘶O霍爾傳感器,很大程度上提高了電流檢測的靈敏度,而且處理電路簡(jiǎn)單,安裝方便,線(xiàn)性度好,具有較高的準確度。

1傳統霍爾傳感器基本原理及其應用

• 1霍爾效應

霍爾元件應用的基本原理是霍爾效應,如圖1所示。

圖1霍爾效應原理圖

在Y軸方向上(垂直于導體或者半導體薄片)通磁感應強度為B的磁場(chǎng),同時(shí)在X軸方向通電流I_H,則半導體薄片在Z軸上將產(chǎn)生一個(gè)微小電壓U_H。這種現象即稱(chēng)為霍爾效應。U_H稱(chēng)為霍爾電勢,其大小可表示為：

U_H=(R_H/d)·I_H·B   （1）

式中R_H為霍爾系數,由半導體材料的性質(zhì)決定;d為半導體材料的厚度。

設R_H/d=K,則式(1)可寫(xiě)為U_H=K·I_H·B   （2）

可見(jiàn)霍爾電壓與控制電流及磁感應強度的乘積呈正比,K稱(chēng)為乘積靈敏度。K值越大,靈敏度就越高;元件厚度越小,輸出電壓也越大。式(2)中,若控制電流IH為常數,磁感應強度B與被測電流呈正比,就可以做成霍爾電流傳感器;另外,若仍固定IH為常數,B與被測電壓呈正比,又可制成霍爾電壓傳感器

1.2傳統霍爾傳感器的應用

由于傳統霍爾傳感器的靈敏度比較低,所以,在使用時(shí)一般都要增加集磁環(huán)來(lái)增加穿過(guò)霍爾傳感器的磁通并使磁通垂直穿過(guò)霍爾傳感器,如圖2所示。

圖2磁環(huán)原理圖

該磁環(huán)有個(gè)很小的開(kāi)口,將霍爾傳感器插入其中,使磁通垂直于傳感器。這便形成了霍爾傳感器測量電流的基本結構。但由于霍爾傳感器一般由半導體材料制成,對溫度比較敏感,而且輸出電壓也很低(為毫伏級),所以,還需要溫度補償部分和電壓放大部分才能比較準確地對電流進(jìn)行測量。除此之外,霍爾傳感器的較高頻率和線(xiàn)性范圍也困擾著(zhù)電流檢測的精度。為了解決這些問(wèn)題,研究人員做了很多工作去彌補這些缺點(diǎn),較為有效的技術(shù)包括開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和開(kāi)閉環(huán)混合霍爾效應技術(shù)。

1.2.1開(kāi)環(huán)霍爾傳感器

開(kāi)環(huán)霍爾傳感器可以測量直流、交流和混合電流,結構如圖3所示。

圖3開(kāi)環(huán)霍爾傳感器

開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單,成本低,功耗低,低插入損耗。但其缺點(diǎn)也很明顯,例如:高頻電流下,磁芯發(fā)熱將磁芯損耗;帶寬交窄;高零點(diǎn)和增益漂移;低線(xiàn)性度和精度。

1.2.2閉環(huán)霍爾傳感器

閉環(huán)霍爾傳感器是在開(kāi)環(huán)的基礎上增加補償電路來(lái)實(shí)現性能的提高,如圖4所示。

圖4閉環(huán)霍爾傳感器

集磁環(huán)上繞有次級繞阻,該繞組中通有低電流,以此來(lái)增加磁通從而抵消導線(xiàn)電流IP產(chǎn)生的磁通。將霍爾傳感器放置于磁環(huán)缺口中,這時(shí)傳感器將產(chǎn)生與磁環(huán)鐵芯中磁通密度呈正比關(guān)系的電壓U_H。通過(guò)放大器將U_H放大,并反饋給推挽放大器。補償電流I_s也通過(guò)推挽放大器反饋到次級繞阻中,從而使集磁環(huán)中的磁通為零。因此,一個(gè)閉環(huán)霍爾效應傳感器也可以作為一個(gè)補償或者零磁通霍爾效應電流傳感器。電流I_s產(chǎn)生的磁通與I_P產(chǎn)生的磁通大小相等方向相反。此時(shí)有式(3)

N_PI_P=N_SI_S       (3)

I_P=N_SI_S/N_P      (4)

由圖可知有式(5)

V_sense=R_tI_s           (5)

I_P=N_SV_sense/N_PR_t     (6)

從而由式(5)～式(6)可以通過(guò)檢測電阻R_t兩端的電壓來(lái)間接檢測電流I_P。這樣就可以減小磁滯現象,并且降低對鐵芯和霍爾傳感器線(xiàn)性工作的依賴(lài)性。

閉環(huán)霍爾效應電流傳感器也能準確地測量直流、交流和混合電流,其勢在于高帶寬(直流能達到200kHz),和線(xiàn)性度,快速的反應速度,低插入損耗和低增益漂移。

雖然閉環(huán)霍爾效應電流傳感器都能在一定程度上滿(mǎn)足所測量電流的線(xiàn)性度和精度,但由于傳感器要求磁場(chǎng)與霍爾元件垂直。所以,必須增加磁環(huán),這樣就直接增加了測量裝置的體積,而且,磁環(huán)也存在安裝補丁等工藝問(wèn)題。另外,傳統霍爾傳感器對溫度的變化敏感,且輸出電壓很小,所以,必須額外增加溫度補償環(huán)節和電壓放大環(huán)節,這勢必增加整個(gè)檢測裝置的成本。

2新型霍爾傳感器的基本原理及其應用

與傳統的霍爾傳感器和磁阻傳感器比較,磁集極霍爾傳感器具有3個(gè)點(diǎn):1)磁集極霍爾傳感器的靈敏度比傳統霍爾傳感器高,和磁阻傳感器相當;2)磁集極霍爾傳感器改善了磁阻傳感器的非線(xiàn)性和磁滯現象;3)磁集極霍爾傳感器的3dB帶寬為100kHz,典型的響應時(shí)間只有3μs,可以廣泛地應用于PWM控制和過(guò)載保護中檢測電流信號,實(shí)現快速保護。

2.1磁集極霍爾傳感器的基本原理

2.1.1磁集極霍爾傳感器

磁集極霍爾傳感器是在傳統霍爾傳感器和集磁環(huán)的基礎上,改進(jìn)得到的一種新型霍爾傳感器。它們較大的區別在于磁集極采用一個(gè)高磁導率和低矯頑磁場(chǎng)的鐵磁體制作成鐵磁層。該鐵磁層采用標準的CMOS工藝技術(shù),把它附著(zhù)在芯片表面,如圖5所示。

圖5磁集極霍爾傳感器內部結構圖

磁集極的2個(gè)部分吸收并放大平行于芯片的磁通,同時(shí)旋轉磁通垂直于芯片表面。這正是磁集極霍爾傳感器與傳統霍爾傳感器較大的區別。

磁集極霍爾傳感器在片內集成了去偏移電路和溫度漂移電路。并且由于內部集成了可編程放大器,可以通過(guò)軟件配置放大倍數,調節傳感器的靈敏度。其內部電路結構如圖6所示。

圖6磁集極霍爾傳感器內部電路示意圖

2.1.2導體電流的計算

由奧斯特試驗可知,通電導線(xiàn)周?chē)嬖诖艌?chǎng)。磁場(chǎng)強度與電流大小和導線(xiàn)距離有關(guān),其關(guān)系式

H(I)=I/L     (7)

在真空中,磁場(chǎng)強度與磁通的關(guān)系有

B(H)=μ₀μ₁H          (8)

μ₀=4π×10^-7Vs/Am     (9)

L(r)=2^πr            (10)

H(I,r)=I/2^πr         (11)

B(I,r)=μ₀μ₁I/2^πr     (12)

例如:r=1mm,電流I=50A,則

B(I，r)=μ₀μ₁I/2^πr=10mT     (13)

使用靈敏度為280V/T的磁集極霍爾傳感器檢測,輸出為U_out=0.01T×280V/T=2.8V。

圖7電流計算示意圖

3安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過(guò)霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過(guò)載能力強，線(xiàn)性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

3.2產(chǎn)品選型

3.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表1

3.2.2閉口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表2

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

3.2.4直流漏電流傳感器

表4

4結束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗可知,與傳統霍爾傳感器相比較,集磁極電流傳感器具有測量范圍寬、線(xiàn)性度良好、精度高、安裝方便、成本低、低噪聲等點(diǎn)。采用集磁極電流傳感器對大電流檢測具有越的性能。通過(guò)增加導線(xiàn)與傳感器的距離就可以增加傳感器的測量范圍。在無(wú)外界噪聲干擾的情況下,其線(xiàn)性度和測量精度并不因為距離的增加而降低。由于集磁極電流傳感器內部集成電路使得輸出靈敏度增加,減小整個(gè)裝置的體積,特別適用于電動(dòng)汽車(chē)這類(lèi)空間有限的場(chǎng)合。

【參考文獻】

[1]郭 軍、劉和平、 劉 平.基于大電流檢測的霍爾傳感器應用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2019.11版