摘(zhāi)要：隨著(zhuó)電(diàn)力電子(zǐ)技(jì)術的發展,現(xiàn)有檢出和測量電流的(dí)元件(jiàn)(如(rú)分(fēn)流器，電(diàn)流互(hù)感(gǎn)器)已(yǐ)不能滿足中，高(gāo)頻，高(gāo)di/dt，寬頻譜(包(bāo)含(hán)直流分(fēn)量(liáng))電流(liú)波形(xíng)的傳遞
。二霍爾(ěr)電流傳感(gǎn)器是(shì)現在彌(mí)補(bǔ)這(zhè)一空缺的主要(yào)電(diàn)流檢測元件
。
 
關鍵(jiàn)詞：霍爾傳(chuán)感(gǎn)器；應用(yòng)；融(róng)合；開(kāi)口(kǒu)式霍(huò)爾電(diàn)流傳感(gǎn)器(qì)
 
1霍(huò)爾(ěr)效應(yīng)
如圖(tú)2所示(shì)的(dí)片(piàn)狀(zhuàng)半導體(霍爾元件),有(yǒu)一(yī)對(duì)電流(liú)端(duān)子和(hé)一對電壓(yā)端(duān)子,從電流端子(zǐ)通(tōng)入恒(héng)定(dìng)直流(liú)電流(liú)I,並(bìng)將(jiāng)此霍爾元件置(zhì)於如(rú)圖所示(shì)的磁(cí)場中(zhōng),則(zé)霍爾(ěr)元(yuán)件中的(dí)電(diàn)荷將受(shòu)到洛(luò)侖茲力的(dí)作(zuò)用,正(zhèng)負電荷(hé)將分別(bié)偏(piān)移到(dào)有電(diàn)壓端子(zǐ)的兩側(cè),於(yú)是(shì)在(zài)霍爾(ěr)元件(jiàn)內部形成(chéng)電(diàn)場(cháng),當霍(huò)爾(ěr)元(yuán)件內部電(diàn)荷(hé)受(shòu)到的(dí)電場力和洛(luò)侖(lún)茲力(lì)相(xiāng)平衡時,電(diàn)壓(yā)端子兩側積聚的電荷數量也(yě)穩定下(xià)來,在(zài)兩個電壓端子間形(xíng)成電勢(shì),此即霍(huò)爾電勢(shì)
。霍爾電勢(shì)UH的數值與(yǔ)恒定(dìng)直(zhí)流I和外(wài)磁(cí)場(cháng)強(qiáng)度(dù)H相關
 
式一
 
式中(zhōng)R為(wéi)霍爾(ěr)常(cháng)數,與(yǔ)半導體材(cái)料(liào)性質(zhì)和載(zǎi)流子濃度有關,d是霍(huò)爾元件(jiàn)的厚度(dù)
。霍爾(ěr)元件(jiàn)製成後,d和R均(jūn)為常數(shù).恒(héng)定直流I受霍爾元(yuán)件(jiàn)工作溫度(dù)的限製(zhì),也有規定的(dí)數值,因(yīn)此霍(huò)爾(ěr)電勢(shì)UH僅與H成正(zhèng)比(bǐ)
。
 
圖1霍爾效應(yīng)適應圖
利用載流(liú)體周(zhōu)圍的(dí)磁場(cháng)H,作用在(zài)霍(huò)爾(ěr)元(yuán)件(jiàn)上產生相(xiāng)應(yīng)的霍(huò)爾(ěr)電勢U,,即按(àn)比例反映了(liǎo)載流(liú)體(tǐ)中電(diàn)流的(dí)數值(zhí)
。
 
2霍(huò)爾電流傳感器的基(jī)本工作(zuò)原理(lǐ)
用圖2所(suǒ)示(shì)結構的一磁(cí)路,將(jiāng)載流體周(zhōu)圍的磁通集中(zhōng)穿(chuān)過(guò)霍爾元件(jiàn),同時霍(huò)爾(ěr)元(yuán)件電(diàn)流端子通以(yǐ)規定(dìng)的(dí)直流I
。一則霍(huò)爾元(yuán)件電壓端上就會(huì)產生(shēng)霍爾電勢,將此電(diàn)勢放大(dà)後(hòu)輸(shū)入(rù)磁芯的(dí)補償綫圈(quān),當補償(cháng)綫圈(quān)產(chǎn)生(shēng)的磁通(tōng)*補償(cháng)被測電(diàn)流(liú)產生(shēng)的磁(cí)通(tōng)時(shí),補償綫圈的電流按比(bǐ)例(lì)反(fǎn)映(yìng)了被測電流的(dí)數值
。圖中(zhōng)被(bèi)測電(diàn)流為I,原(yuán)邊的安(ān)匝(zā)數(shù)為I*l安(ān)匝(zā),設補(bǔ)償綫(xiàn)圈為N匝
。補(bǔ)償(cháng)電(diàn)流(liú)為I
。,則在安(ān)匝數平衡時
 
式二
 
圖2霍(huò)爾(ěr)電流傳(chuán)感器工作原(yuán)理
 
I
。可通過(guò)取(qǔ)樣(yàng)電阻R轉換成電壓(yā)輸出,則R兩端電(diàn)壓(yā)U
。為(wéi)
 
式(shì)三
顯(xiǎn)然U
。與(yǔ)被測電(diàn)流I成正比(bǐ),隻要測得U
。即可換(huàn)算得(dé)I,此即霍爾電(diàn)流(liú)傳感器的工作(zuò)原(yuán)理(lǐ)
 
3霍爾電流傳(chuán)感器(qì)(以下(xià)簡稱傳感器(qì))的(dí)特點一
根(gēn)據(jù)上(shàng)述工作原理可(kě)歸(guī)納如下特(tè)點:
(1)傳感(gǎn)器(qì)輸入與(yǔ)輸出(chū)間(jiān)和普通(tōng)電流互感器一樣(yàng)具有良(liáng)好的(dí)電隔離,絕緣耐壓(yā)於3kV;
 
2) 傳(chuán)感器是個大閉(bì)環(huán)係(xì)統,所(suǒ)以(yǐ)可以(yǐ)不(bù)失真地(dì)傳(chuán)遞自(zì)直(zhí)流至(zhì)100kHz頻(pín)帶(dài)內的任(rèn)何(hé)波(bō)形(xíng)電流
。圖3顯(xiǎn)示了用霍爾電流(liú)傳感器(qì)傳遞的電(diàn)流脈(mài)衝(chōng)波形
。圖中下(xià)麵的波形(xíng)是被測電(diàn)流(liú),幅值32A,寬(kuān)度100us,上升(shēng)沿陡(dǒu)度(dù)成≤0.6us,重復頻(pín)率(shuài)10Hz,單(dān)向電流脈衝
。圖中下(xià)麵(miàn)的(dí)波形是傳感(gǎn)器輸出電(diàn)壓,輸出響應(yīng)＜1us，
 
圖3霍爾(ěr)電流(liú)傳感器傳(chuán)遞的電(diàn)流脈衝(chōng)波(bō)形(xíng)
x=0.1ms/divy=2V/div取樣電阻(zǔ)3Ω
(3)因為是補償式測量(liáng),所以(yǐ)具有良好(hǎo)的度(dù)(±1%)和綫(xiàn)性度(dù)(≤0.1%*額定電(diàn)流(liú))
。
(4)傳感器(qì)磁路(lù)幾乎是(shì)零磁通工(gōng)作(zuò),動態變(biàn)化時又是快速補償(cháng),所以傳感器是(shì)無電感(gǎn)性(xìng)的元(yuán)件(jiàn)
。
 
4霍爾電(diàn)流傳(chuán)感器與(yǔ)其它檢測元件的比較
以(yǐ)往檢(jiǎn)測(cè)電(diàn)流的常用(yòng)元件有分(fēn)流(liú)器(qì)和電(diàn)流互(hù)感器(直流(liú)或交(jiāo)流(liú))
。
使(shǐ)用(yòng)分流(liú)器存在的較(jiào)多(duō)問(wèn)題是輸入與(yǔ)輸(shū)出之間沒(méi)有(yǒu)電(diàn)隔(gé)離(lí)
。此(cǐ)外,用(yòng)分流器檢(jiǎn)測高(gāo)頻(pín)或大電(diàn)流(liú)時,不(bù)可避(bì)免(miǎn)地(dì)帶(dài)有電(diàn)感性,因此(cǐ)分流器的(dí)接(jiē)入既(jì)影響(xiǎng)被(bèi)測電(diàn)流波形,也(yě)不能(néng)真實傳遞非(fēi)正弦(xián)波(bō)形(xíng)
。
電(diàn)流互(hù)感(gǎn)器(qì)在規(guī)定的工(gōng)作頻(pín)率(shuài)下有較(jiào)高(gāo)的度(dù),但(dàn)是它能適(shì)應的頻率範圍很(hěn)窄,尤其(qí)不(bù)能傳遞直流二(èr)此外(wài),電(diàn)流(liú)互感(gǎn)器工作(zuò)時存(cún)在(zài)激(jī)磁電流,所以它(tā)是(shì)電感性元件(jiàn),存在和(hé)分(fēn)流(liú)器相同的缺(quē)點
。
 
5霍爾電流(liú)傳感器的(dí)使(shǐ)用方法
霍爾電(diàn)流傳感器(qì)的(dí)接(jiē)綫(xiàn)方法如圖4,它需要外(wài)接(jiē)士15v穩(wěn)壓(yā)直(zhí)流(liú)電源,M端外(wài)接取(qǔ)樣(yàng)電(diàn)阻(阻值由(yóu)傳感(gǎn)器量(liáng)程決定,一般為數十歐(ōu)姆(mǔ))
。
 
圖4霍(huò)爾電流傳感(gǎn)器(qì)接綫圖
霍(huò)爾(ěr)電流傳感器(qì)外殼印有表(biǎo)示原邊(biān)被測(cè)電流(liú)正方(fāng)向的(dí)箭(jiàn)頭
。當(dāng)原邊(biān)被(bèi)測(cè)電流(liú)按箭(jiàn)頭方(fāng)向(xiàng)流(liú)動時(shí)，傳感器M端輸出(chū)正(zhèng)電(diàn)壓，反(fǎn)之(zhī)輸出負電(diàn)壓(yā)
。
例(lì):50A霍爾(ěr)電(diàn)流傳(chuán)感器(qì)補償(cháng)綫(xiàn)圈是(shì)1000匝(zā),規定M端外接取(qǔ)樣(yàng)電阻為90Ω
。該傳感(gǎn)器原(yuán)邊(biān)較大(dà)可測交(jiāo)流(liú)電流50A(方均根值),或直流電流±35A(50A/√2=5A)若用此(cǐ)傳(chuán)感器測較大為10A交(jiāo)流電(diàn)流,原(yuán)邊單匝穿過傳(chuán)感(gǎn)器,則(zé)被(bèi)測電流達到10A時(shí),傳感器M端(duān)輸出(chū)電(diàn)壓可根據原邊(biān)安匝數與補(bǔ)償綫(xiàn)圈(quān)安匝數平(píng)衡的原(yuán)則(zé)計算
 
式四(sì)
原(yuán)邊也可(kě)以穿5匝(zā),則(zé)原邊(biān)為(wéi)50安匝,M端(duān)輸出(chū)電壓為
 
式五
 
6霍爾(ěr)電流傳感器(qì)的應(yīng)用
電力電子(zǐ)電(diàn)路中的電流(liú)往往(wǎng)有(yǒu)很(hěn)大(dà)的(dí)di/dt，非正(zhèng)弦(xián)，直流成分等(děng),要(yào)真實(shí)地(dì)檢出這(zhè)種(zhǒng)電流波形,霍爾(ěr)元(yuán)件(jiàn)是(shì)目(mù)適(shì)當的元(yuán)件(jiàn)
。
利(lì)用(yòng)霍爾(ěr)電流傳(chuán)感器工作頻(pín)帶(dài)寬(kuān)的(dí)特點,可用於(yú)檢測(cè)非(fēi)正(zhèng)弦電流供諧波(bō)分(fēn)析(xī),峰值(zhí)測量等
。
例(lì)1隨著(zhuó)電(diàn)力電(diàn)子設備(bèi)單機(jī)容量(liáng)的提(tí)高,設備從電網(wǎng)中(zhōng)吸取的(dí)電(diàn)流諧波也增(zēng)大,可(kě)用圖5方法檢(jiǎn)測(cè)交流(liú)進綫(xiàn)電流中(zhōng)的(dí)諧波
。
 
 
圖(tú)5電(diàn)力電子設備(bèi)網側電流(liú)諧波用霍(huò)爾(ěr)電(diàn)流傳(chuán)感(gǎn)器(qì)檢出
 
例2利用(yòng)PWM(脈衝寬(kuān)度調(tiáo)製)控製(zhì),以改善電力(lì)電(diàn)子設備輸入(rù)或(huò)輸(shū)出電流波形的(dí)技(jì)術已(yǐ)得到(dào)廣(guǎng)泛應(yīng)用,要分(fēn)析(xī)輕微的電流波形畸變,目(mù)唯有使用高保(bǎo)真度(dù)的(dí)霍(huò)爾電流傳感(gǎn)器檢出(chū)波形(xíng),方法(fǎ)與圖5同(tóng)
。
例3在(zài)點焊，脈(mài)衝電(diàn)鍍等(děng)設備中(zhōng),可(kě)以(yǐ)用(yòng)霍爾電流傳(chuán)感器檢出電流(liú)波形(xíng),用(yòng)峰值(zhí)電(diàn)壓表(biǎo)測量(liáng)傳感器(qì)輸(shū)出電壓,然後(hòu)換算(suàn)出被測峰值(zhí)電流
。
例4利用霍(huò)爾傳感(gǎn)器(qì)的無電(diàn)感特(tè)性(xìng)測量(liáng)電(diàn)力電子綫路中的(dí)di/dt,不(bù)會因接入傳感器而(ér)改變(biàn)原有的(dí)di/dt值(zhí)
。
霍爾(ěr)電(diàn)流(liú)傳感器的快(kuài)速(sù)響應(yīng),適合於電(diàn)力電子(zǐ)設(shè)備的過電(diàn)流(liú)或短路保護電(diàn)路中檢測(cè)電流信(xìn)號,實(shí)現快(kuài)速保(bǎo)護(hù)
。
例(lì)5在電(diàn)壓型(xíng)逆變器(qì)(如圖(tú)6)中(zhōng),由於換相(xiāng)失敗很(hěn)容易使一(yī)相中(zhōng)上(shàng)下兩個橋臂中的半導(dǎo)體器(qì)件(jiàn)因過(guò)電流(liú)而(ér)損(sǔn)壞,這(zhè)種(zhǒng)逆變器(qì)必須采用(yòng)快(kuài)速過(guò)電流(liú)保護(hù)
。
 
圖6用霍爾傳感器(qì)在電壓(yā)型逆變器的過電流保護(hù)中檢測電(diàn)流信號(hào)
 
可以(yǐ)用(yòng)霍(huò)爾電(diàn)流(liú)傳(chuán)感(gǎn)器檢測每個僑(qiáo)臂中半導體器件的電(diàn)流,如圖6
。若(ruò)因(yīn)換相(xiāng)失敗造成(chéng)T1T4同時導(dǎo)電(diàn),則(zé)相(xiāng)應的兩個傳感器(qì)同(tóng)時檢出(chū)電(diàn)流信號,經電(diàn)壓比(bǐ)較器(qì)轉換成方波後,使“與”門的兩(liǎng)個(gè)輸入(rù)都為(wéi)“1”,因而“與”門(mén)輸出“l”
。以(yǐ)此(cǐ)封(fēng)鎖所有(yǒu)的逆變(biàn)觸發脈衝(chōng),以切斷短(duǎn)路途徑
。
這種方(fāng)法(fǎ)的(dí)點(diǎn)是:(1)隻(zhī)要(yào)T1T4同時存(cún)在極小(xiǎo)的(dí)電(diàn)流(liú),保(bǎo)護(hù)立即動作,因(yīn)為(wéi)保(bǎo)護動作早(zǎo),T1T4不會經(jīng)受(shòu)大(dà)電流(liú);(2)保(bǎo)護動作速度快
。因為霍爾電(diàn)流傳(chuán)感器是無(wú)電感(gǎn)性的(dí)元件,因此T1T4關(guān)斷時它(tā)不會產生過(guò)電(diàn)壓(yā),所以RC吸(xī)收電路(lù)的設計不必(bì)顧慮傳感(gǎn)器的影響
。
霍爾電流(liú)傳(chuán)感(gǎn)器在直(zhí)流(liú)檢測中同樣具有電(diàn)隔離,因(yīn)而擴展(zhǎn)了它的應(yīng)用範圍(wéi)
。
例(lì)6在(zài)輸出直(zhí)流(liú)的電力電子(zǐ)設(shè)備中,可(kě)以(yǐ)用霍(huò)爾電流傳感器(qì)獲(huò)取有電離(lí)的直流(liú)電(diàn)流信號,用(yòng)於電流反(fǎn)饋,截流(liú)控(kòng)製(zhì),穩(wěn)流調節(jié),直流側(cè)過流，短路保(bǎo)護等(děng)
。
7安科瑞(ruì)霍爾傳(chuán)感(gǎn)器產品選型
7.1 產(chǎn)品介(jiè)紹(shào)
霍(huò)爾電流傳(chuán)感器主要(yào)適(shì)用於交流(liú)，直(zhí)流(liú)，脈衝等復雜信(xìn)號的隔(gé)離轉換，通過霍(huò)爾效(xiào)應(yīng)原理使變換後(hòu)的(dí)信號能夠(gòu)直接(jiē)被(bèi)AD，DSP，PLC，二(èr)次(cì)儀(yí)表(biǎo)等(děng)各種(zhǒng)采集(jí)裝置(zhì)直(zhí)接(jiē)采(cǎi)集(jí)和接受(shòu)，響(xiǎng)應時(shí)間快，電(diàn)流(liú)測量(liáng)範(fàn)圍寬精度高，過載能(néng)力強(qiáng)，綫(xiàn)性(xìng)好(hǎo)，抗(kàng)幹(gān)擾能力(lì)強
。適用(yòng)於電流(liú)監控及電池(chí)應(yīng)用，逆(nì)變電源及太(tài)陽能(néng)電(diàn)源(yuán)管理係統，直(zhí)流(liú)屏(píng)及直流(liú)馬(mǎ)達驅動，電(diàn)鍍，焊接應用，變(biàn)頻器，UPS伺(sì)服控製(zhì)等(děng)係統電(diàn)流信(xìn)號采集和反饋(kuì)控製
。
 
7.2產(chǎn)品選型
7.2.1 開口(kǒu)式開(kāi)環(huán)霍爾電(diàn)流(liú)傳(chuán)感器
 
圖(tú)3
7.2.2閉(bì)口(kǒu)式(shì)開環(huán)霍爾(ěr)電(diàn)流傳感器(qì)
 
圖4
7.2.3閉(bì)環霍爾電(diàn)流(liú)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)
 
 
圖(tú)5
7.2.4直(zhí)流(liú)漏電(diàn)流(liú)傳感器(qì)
 
圖6
 
8 結(jié)束語(yǔ)
基(jī)於(yú)霍爾傳感(gǎn)器(qì)具有(yǒu)結構簡(jiǎn)單，體(tǐ)積小，使(shǐ)用(yòng)壽命長(cháng)，使用方(fāng)便，靈(líng)敏度(dù)高(gāo)等(děng)點，使得其在電氣測量儀(yí)器(qì)儀(yí)表(biǎo)等方麵得到了(liǎo)廣(guǎng)泛(fàn)的應用
。為了能(néng)夠(gòu)適應現代(dài)電力電子(zǐ)設(shè)備對(duì)檢(jiǎn)測精(jīng)度越(yuè)來(lái)越高的(dí)要(yào)求，對(duì)霍爾(ěr)傳感器(qì)技(jì)術的研究也應(yīng)該不斷(duàn)提高(gāo)
。
 
【參(cān)考文獻(xiàn)】
[1]秦祖(zǔ)蔭.霍(huò)爾電(diàn)流(liú)傳(chuán)感器(qì)的(dí)性能及其使用 《電力(lì)電(diàn)子(zǐ)技術》1994年(nián)第4期
[2]安科瑞企(qǐ)業微電網(wǎng)設計與應用(yòng)手冊 2019.11版(bǎn)