摘要:介紹了傳統開環和閉環霍爾傳感器的基本原理,并就傳統霍爾傳感器配合磁環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行了對比,分析了它們的優缺點。重點研究了磁集極霍爾傳感器在電動汽車中的電機控制器的大電流情況下的測量應用,實驗結果表明:其具有測量范圍寬、高線性度、低磁滯、高靈敏度、體積小、價格低等優點。

關鍵詞:霍爾傳感器;大電流檢測;磁集極

0引言

     電流檢測在電動汽車的控制、保護、監測、動力管理等方面有著重要的應用。例如:電機驅動控制、變頻控制、過載保護、電池荷電狀態監測等。但在電流測量中存在2個困難:1)測量儀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,會影響被測電路的直流工作點。霍爾傳感器由于具有體積小、功耗低、噪聲小、隔離效果好等優點,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為非線性關系,且存在不平衡電壓UHe,嚴重影響檢測系統的精度。通常采用集磁環來提高霍爾傳感器的靈敏度,但是集磁環和霍爾傳感器是分離的,體積龐大,不便于在實際檢測系統中應用。基于霍爾效應的磁集極霍爾傳感器,很大程度上提高了電流檢測的靈敏度,而且處理電路簡單,安裝方便,線性度好,具有較高的準確度。

1傳統霍爾傳感器基本原理及其應用

1.1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,同時在X軸方向通電流IH,則半導體薄片在Z軸上將產生一個微小電壓UH。這種現象即稱為霍爾效應。UH稱為霍爾電勢,其大小可表示為：

UH=(RH/d)·IH·B   （1）

式中RH為霍爾系數,由半導體材料的性質決定;d為半導體材料的厚度。

     設RH/d=K,則式(1)可寫為UH=K·IH·B   （2）

     可見霍爾電壓與控制電流及磁感應強度的乘積呈正比,K稱為乘積靈敏度。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,在使用時一般都要增加集磁環來增加穿過霍爾傳感器的磁通并使磁通垂直穿過霍爾傳感器,如圖2所示。

圖2磁環原理圖

     該磁環有個很小的開口,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行測量。除此之外,霍爾傳感器的較高頻率和線性范圍也困擾著電流檢測的精度。為了解決這些問題,研究人員做了很多工作去彌補這些缺點,較為有效的技術包括開環、閉環和開閉環混合霍爾效應技術。

1.2.1開環霍爾傳感器

     開環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開環霍爾傳感器

     開環霍爾傳感器的優點是結構簡單,成本低,功耗低,低插入損耗。但其缺點也很明顯,例如:高頻電流下,磁芯發熱將磁芯損耗;帶寬交窄;高零點和增益漂移;低線性度和精度。

1.2.2閉環霍爾傳感器

     閉環霍爾傳感器是在開環的基礎上增加補償電路來實現性能的提高,如圖4所示。

圖4閉環霍爾傳感器

     集磁環上繞有次級繞阻,該繞組中通有低電流,以此來增加磁通從而抵消導線電流IP產生的磁通。將霍爾傳感器放置于磁環缺口中,這時傳感器將產生與磁環鐵芯中磁通密度呈正比關系的電壓UH。通過放大器將UH放大,并反饋給推挽放大器。補償電流Is也通過推挽放大器反饋到次級繞阻中,從而使集磁環中的磁通為零。因此,一個閉環霍爾效應傳感器也可以作為一個補償或者零磁通霍爾效應電流傳感器。電流Is產生的磁通與IP產生的磁通大小相等方向相反。此時有式(3)

NPIP=NSIS       (3)

IP=NSIS/NP      (4)

由圖可知有式(5)

Vsense=RtIs           (5)

IP=NSVsense/NPRt     (6)

     從而由式(5)～式(6)可以通過檢測電阻Rt兩端的電壓來間接檢測電流IP。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性工作的依賴性。

     閉環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,其優勢在于高帶寬(直流能達到200kHz),高精度和線性度,快速的反應速度,低插入損耗和低增益漂移。

     雖然閉環霍爾效應電流傳感器都能在一定程度上滿足所測量電流的線性度和精度,但由于傳感器要求磁場與霍爾元件垂直。所以,必須增加磁環,這樣就直接增加了測量裝置的體積,而且,磁環也存在安裝補丁等工藝問題。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節和電壓放大環節,這勢必增加整個檢測裝置的成本。

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個優點: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,典型的響應時間只有3μs,可以廣泛地應用于PWM控制和過載保護中檢測電流信號,實現快速保護。

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的基礎上,改進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高磁導率和低矯頑磁場的鐵磁體制作成鐵磁層。該鐵磁層采用標準的CMOS工藝技術,把它附著在芯片表面,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個部分吸收并放大平行于芯片的磁通,同時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,通電導線周圍存在磁場。磁場強度與電流大小和導線距離有關,其關系式

H(I)=I/L     (7)

在真空中,磁場強度與磁通的關系有

B(H)=μ0μ1H          (8)

μ0=4π×10-7Vs/Am     (9)

L(r)=2πr            (10)

H(I,r)=I/2πr         (11)

B(I,r)=μ0μ1I/2πr     (12)

例如:r=1mm,電流I=50A,則

B(I，r)=μ0μ1I/2πr=10mT     (13)

     使用靈敏度為280V/T的磁集極霍爾傳感器檢測,輸出為Uout=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品選型

3.1產品介紹

     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，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、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產品選型

3.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

表1

3.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

表2

3.2.3閉環霍爾電流傳感器

表3

3.2.4直流漏電流傳感器

表4

4結束語

     通過實驗可知,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、線性度良好、精度高、安裝方便、成本低、低噪聲等優點。采用集磁極電流傳感器對大電流檢測具有*的性能。通過增加導線與傳感器的距離就可以增加傳感器的測量范圍。在無外界噪聲干擾的情況下,其線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,減小整個裝置的體積,特別適用于電動汽車這類空間有限的場合。

【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]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2019.11版