摘要:介紹了傳統開(kāi)環(huán)和(hé)閉(bì)環(huán)霍爾(ěr)傳感器的基(jī)本(běn)原(yuán)理,並(bìng)就傳統(tǒng)霍爾傳感器配(pèi)合(hé)磁(cí)環(huán)的方法(fǎ)和新(xīn)型(xíng)磁(cí)集(jí)極霍爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)在(zài)大(dà)電(diàn)流檢(jiǎn)測中的應用方案進(jìn)行(háng)了對(duì)比(bǐ),分析(xī)了它(tā)們的缺點。重點(diǎn)研(yán)究了磁集(jí)極霍爾傳感器在電(diàn)動汽車(chē)中的電機控(kòng)製器的(dí)大電流(liú)情況下的測量(liáng)應(yīng)用,實驗結果表明:其具有測量範圍寬，高綫性度，低(dī)磁滯(zhì)，高靈敏度，體(tǐ)積小，價格低(dī)等(děng)點(diǎn)。

關鍵(jiàn)詞:霍爾(ěr)傳感(gǎn)器;大(dà)電(diàn)流檢(jiǎn)測;磁集(jí)極

0引言

電(diàn)流(liú)檢(jiǎn)測(cè)在電(diàn)動(dòng)汽(qì)車的控(kòng)製，保護，監測，動力(lì)管(guǎn)理(lǐ)等方麵有(yǒu)著(zhuó)重要的應用(yòng)。例(lì)如:電機驅(qū)動(dòng)控製，變(biàn)頻控製(zhì)，過載保護，電(diàn)池荷電(diàn)狀態監測等。但(dàn)在電流(liú)測量中(zhōng)存在2個(gè)困難(nán):1)測(cè)量儀表(biǎo)不方(fāng)便(biàn)直接串入電路中(zhōng);2)電流檢測(cè)電路(lù)與(yǔ)被(bèi)測電(diàn)路(lù)不能直接(jiē)耦(ǒu)合,否則,會(huì)影(yǐng)響被(bèi)測電路的(dí)直流工作點。霍(huò)爾傳感器(qì)由於具(jù)有(yǒu)體積小，功耗低，噪聲小(xiǎo)，隔離效果(guǒ)好(hǎo)等(děng)點,在(zài)電(diàn)流(liú)監(jiān)測(cè)方麵受到廣泛(fàn)的青睞。特(tè)別是(shì)霍(huò)爾(ěr)傳感器配(pèi)合磁環的設計一直(zhí)被廣泛(fàn)地(dì)使(shǐ)用。但(dàn)由於傳統(tǒng)的霍爾傳感器的靈(líng)敏度(dù)比較低,輸出信號(hào)有偏(piān)置電壓(yā)和噪(zào)聲,對於(yú)處(chǔ)理電(diàn)路要(yào)求高,係(xì)統(tǒng)成本(běn)高(gāo)。傳統(tǒng)的(dí)霍爾傳感器如(rú)果使(shǐ)用(yòng)不當(dāng),它的霍爾電壓(yā)UH與磁(cí)感應強度(dù)B為(wéi)非(fēi)綫性(xìng)關(guān)係,且存(cún)在不平(píng)衡(héng)電壓UHe,嚴重影響檢測(cè)係(xì)統的精度。通(tōng)常(cháng)采用(yòng)集磁環來(lái)提(tí)高(gāo)霍爾(ěr)傳感(gǎn)器的(dí)靈敏度,但(dàn)是(shì)集磁(cí)環和(hé)霍(huò)爾(ěr)傳感器是分離(lí)的(dí),體積龐大(dà),不(bù)便於(yú)在(zài)實(shí)際檢測係統中應用。基(jī)於(yú)霍爾效應的(dí)磁集(jí)極霍(huò)爾(ěr)傳感器,很(hěn)大程度上提高了電流(liú)檢測的(dí)靈敏(mǐn)度,而且(qiě)處(chǔ)理電路簡單,安裝(zhuāng)方便,綫性度(dù)好,具有(yǒu)較(jiào)高的(dí)準確(què)度(dù)。

1傳統霍爾(ěr)傳感器(qì)基本原(yuán)理及(jí)其(qí)應(yīng)用

• 1霍爾(ěr)效應

霍(huò)爾(ěr)元(yuán)件(jiàn)應用(yòng)的基(jī)本(běn)原理(lǐ)是(shì)霍(huò)爾效應,如圖1所示(shì)。

圖(tú)1霍爾(ěr)效應(yīng)原(yuán)理(lǐ)圖

在Y軸方(fāng)向(xiàng)上(shàng)(垂直於導體或者半(bàn)導體(tǐ)薄片)通磁(cí)感應強度(dù)為B的(dí)磁場,同(tóng)時在(zài)X軸方(fāng)向(xiàng)通電流(liú)I_H,則半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)薄片在Z軸上(shàng)將(jiāng)產生一(yī)個(gè)微(wēi)小(xiǎo)電(diàn)壓U_H。這(zhè)種現(xiàn)象即稱為霍爾(ěr)效應。U_H稱(chēng)為霍爾(ěr)電勢(shì),其大小(xiǎo)可表示(shì)為：

U_H=(R_H/d)·I_H·B   （1）

式(shì)中R_H為霍(huò)爾(ěr)係(xì)數(shù),由(yóu)半導體材(cái)料的性質(zhì)決(jué)定;d為半導體材料的(dí)厚(hòu)度。

設R_H/d=K,則(zé)式(1)可(kě)寫為(wéi)U_H=K·I_H·B   （2）

可(kě)見霍爾(ěr)電壓與控(kòng)製電(diàn)流及(jí)磁感應強(qiáng)度(dù)的乘積(jī)呈(chéng)正比,K稱(chēng)為(wéi)乘(chéng)積靈(líng)敏(mǐn)度。K值(zhí)越大,靈敏度就(jiù)越(yuè)高(gāo);元件厚度越(yuè)小,輸出(chū)電(diàn)壓也越大(dà)。式(shì)(2)中,若控製電流(liú)IH為常(cháng)數(shù),磁感(gǎn)應強(qiáng)度B與被測電(diàn)流(liú)呈(chéng)正(zhèng)比,就可以做成霍爾(ěr)電流(liú)傳感器;另外,若(ruò)仍固(gù)定(dìng)IH為常數,B與被測電(diàn)壓呈(chéng)正比(bǐ),又可製成霍爾電(diàn)壓(yā)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)

1.2傳統(tǒng)霍(huò)爾(ěr)傳感(gǎn)器的應用

由於傳統霍爾傳感(gǎn)器(qì)的靈敏度比較低,所以,在使用時一(yī)般都(dū)要增加(jiā)集(jí)磁(cí)環(huán)來(lái)增加穿過霍(huò)爾傳感器(qì)的磁通(tōng)並使(shǐ)磁通(tōng)垂直(zhí)穿過(guò)霍爾(ěr)傳感(gǎn)器(qì),如圖2所示(shì)。

圖(tú)2磁環(huán)原理圖(tú)

該磁(cí)環有個(gè)很(hěn)小的開口,將霍爾傳(chuán)感(gǎn)器插入其中,使(shǐ)磁(cí)通(tōng)垂(chuí)直於(yú)傳感(gǎn)器。這(zhè)便形(xíng)成了霍(huò)爾(ěr)傳感器測量電(diàn)流(liú)的基(jī)本結(jié)構(gòu)。但由於霍爾(ěr)傳感器一般由半導體材(cái)料(liào)製成(chéng),對(duì)溫度比較敏感(gǎn),而且(qiě)輸出(chū)電(diàn)壓也(yě)很低(為(wéi)毫伏級(jí)),所以,還需要(yào)溫度補償(cháng)部(bù)分和電(diàn)壓(yā)放(fàng)大部分(fēn)才(cái)能比較準確地對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量(liáng)。除此之外,霍爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)的(dí)較(jiào)高(gāo)頻(pín)率(shuài)和(hé)綫性(xìng)範圍(wéi)也困(kùn)擾著(zhuó)電(diàn)流檢測(cè)的精(jīng)度(dù)。為了解(jiě)決(jué)這些問(wèn)題,研究(jiū)人(rén)員(yuán)做了(liǎo)很多工(gōng)作去(qù)彌(mí)補這些(xiē)缺(quē)點,較為有(yǒu)效(xiào)的(dí)技(jì)術包括(kuò)開環，閉環和(hé)開(kāi)閉(bì)環混(hùn)合(hé)霍爾(ěr)效應技(jì)術。

1.2.1開環霍爾(ěr)傳感器

開(kāi)環(huán)霍爾(ěr)傳感器可以測量直流(liú)，交流(liú)和混(hùn)合電流,結構(gòu)如圖3所(suǒ)示(shì)。

圖(tú)3開(kāi)環(huán)霍(huò)爾傳感器

開環霍爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器的(dí)點(diǎn)是結構(gòu)簡單,成本(běn)低,功耗(hào)低,低插入損耗(hào)。但其缺點(diǎn)也很明(míng)顯(xiǎn),例(lì)如:高頻(pín)電流下(xià),磁(cí)芯(xīn)發熱將磁芯損耗;帶寬交(jiāo)窄;高(gāo)零(líng)點和(hé)增益(yì)漂移(yí);低綫性(xìng)度和(hé)精(jīng)度(dù)。

1.2.2閉環霍爾傳感器(qì)

閉環霍(huò)爾傳感器是在(zài)開(kāi)環(huán)的基礎上增加補(bǔ)償電路來(lái)實現性(xìng)能(néng)的(dí)提(tí)高,如圖4所示。

圖4閉(bì)環(huán)霍(huò)爾傳(chuán)感(gǎn)器(qì)

集磁環上(shàng)繞有(yǒu)次級(jí)繞(rào)阻,該繞組中(zhōng)通有(yǒu)低電流,以(yǐ)此來增加磁通(tōng)從而(ér)抵(dǐ)消導綫電流IP產生的磁通。將霍爾(ěr)傳感(gǎn)器(qì)放置於(yú)磁(cí)環缺(quē)口(kǒu)中,這(zhè)時傳感器將產生與(yǔ)磁(cí)環(huán)鐵芯中磁(cí)通(tōng)密度呈正比關(guān)係的電壓U_H。通過放大器(qì)將U_H放(fàng)大(dà),並(bìng)反(fǎn)饋(kuì)給(gěi)推挽放大器。補償電(diàn)流I_s也通(tōng)過(guò)推(tuī)挽放大器(qì)反(fǎn)饋到次(cì)級繞(rào)阻(zǔ)中,從而使(shǐ)集磁環中的磁(cí)通為(wéi)零。因(yīn)此,一個閉環(huán)霍爾效(xiào)應(yīng)傳(chuán)感(gǎn)器也可(kě)以作為一(yī)個(gè)補償或(huò)者零磁(cí)通(tōng)霍爾(ěr)效應電流(liú)傳感器(qì)。電流(liú)I_s產生的磁通(tōng)與I_P產生的(dí)磁(cí)通大小(xiǎo)相等(děng)方(fāng)向(xiàng)相反。此時有式(3)

N_PI_P=N_SI_S       (3)

I_P=N_SI_S/N_P      (4)

由圖可知有式(shì)(5)

V_sense=R_tI_s           (5)

I_P=N_SV_sense/N_PR_t     (6)

從(cóng)而由(yóu)式(5)～式(6)可(kě)以(yǐ)通過檢(jiǎn)測(cè)電(diàn)阻(zǔ)R_t兩端(duān)的電(diàn)壓來間接檢(jiǎn)測(cè)電(diàn)流(liú)I_P。這(zhè)樣(yàng)就(jiù)可以(yǐ)減小(xiǎo)磁滯現象(xiàng),並(bìng)且降低對鐵芯和(hé)霍爾(ěr)傳感器(qì)綫性(xìng)工作(zuò)的依賴(lài)性。

閉(bì)環霍(huò)爾效(xiào)應電(diàn)流傳感(gǎn)器也(yě)能(néng)準(zhǔn)確地測(cè)量直(zhí)流，交(jiāo)流和(hé)混合電流,其(qí)勢(shì)在於高帶(dài)寬(直(zhí)流能達到(dào)200kHz),和綫(xiàn)性度(dù),快速的(dí)反(fǎn)應(yīng)速度,低插入損(sǔn)耗(hào)和(hé)低(dī)增(zēng)益(yì)漂(piāo)移。

雖然(rán)閉(bì)環霍(huò)爾效應電流傳感(gǎn)器都能(néng)在(zài)一定程度上(shàng)滿足所(suǒ)測(cè)量電流的綫性度和精(jīng)度,但由於(yú)傳感器(qì)要求(qiú)磁(cí)場與(yǔ)霍爾元(yuán)件(jiàn)垂(chuí)直。所(suǒ)以,必(bì)須增(zēng)加(jiā)磁環(huán),這樣就直(zhí)接增(zēng)加(jiā)了(liǎo)測量裝置的(dí)體積,而且,磁環(huán)也存在安(ān)裝(zhuāng)補丁等工(gōng)藝問(wèn)題(tí)。另外,傳(chuán)統(tǒng)霍(huò)爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器對溫度的變化(huà)敏(mǐn)感,且輸(shū)出電壓(yā)很(hěn)小,所以(yǐ),必須(xū)額外增(zēng)加溫(wēn)度(dù)補償環(huán)節和(hé)電壓放大(dà)環節,這勢必(bì)增加(jiā)整個(gè)檢測裝置(zhì)的成本。

2新型(xíng)霍爾傳感器的基本原(yuán)理及(jí)其(qí)應用

與(yǔ)傳(chuán)統(tǒng)的霍爾(ěr)傳感器(qì)和(hé)磁阻傳感(gǎn)器比較(jiào),磁集極(jí)霍爾傳(chuán)感(gǎn)器(qì)具(jù)有(yǒu)3個點(diǎn):1)磁集極霍爾傳(chuán)感器的靈敏度比傳統(tǒng)霍(huò)爾傳感(gǎn)器(qì)高(gāo),和(hé)磁(cí)阻(zǔ)傳(chuán)感(gǎn)器相當;2)磁集(jí)極霍(huò)爾傳感(gǎn)器改(gǎi)善了磁阻傳(chuán)感(gǎn)器(qì)的(dí)非綫性和磁滯現象(xiàng);3)磁(cí)集極(jí)霍爾傳感器的(dí)3dB帶(dài)寬(kuān)為(wéi)100kHz,典型的響應時(shí)間(jiān)隻有3μs,可以(yǐ)廣泛地(dì)應用(yòng)於(yú)PWM控(kòng)製(zhì)和過載(zǎi)保護中檢測電流(liú)信(xìn)號,實現快速(sù)保(bǎo)護。

2.1磁集(jí)極霍(huò)爾傳感器的(dí)基本(běn)原(yuán)理(lǐ)

2.1.1磁集(jí)極霍(huò)爾傳(chuán)感(gǎn)器

磁(cí)集(jí)極(jí)霍(huò)爾傳(chuán)感(gǎn)器是(shì)在(zài)傳(chuán)統霍(huò)爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)和(hé)集磁(cí)環的基(jī)礎上,改進得到的(dí)一(yī)種新(xīn)型霍爾傳(chuán)感(gǎn)器(qì)。它們較大的區(qū)別(bié)在(zài)於(yú)磁集極采(cǎi)用(yòng)一個高(gāo)磁(cí)導率(shuài)和低矯頑磁(cí)場(cháng)的(dí)鐵(tiě)磁(cí)體(tǐ)製(zhì)作(zuò)成鐵磁(cí)層(céng)。該(gāi)鐵(tiě)磁層采用(yòng)標準的CMOS工藝技術,把它(tā)附著在芯片表麵,如圖5所示(shì)。

圖5磁集(jí)極霍(huò)爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)內部(bù)結構圖

磁(cí)集極的2個(gè)部分吸收(shōu)並(bìng)放(fàng)大平行(háng)於芯片的(dí)磁通(tōng),同時旋轉磁(cí)通(tōng)垂(chuí)直(zhí)於(yú)芯(xīn)片表麵。這(zhè)正是磁(cí)集(jí)極(jí)霍(huò)爾(ěr)傳感器與(yǔ)傳統(tǒng)霍(huò)爾(ěr)傳感(gǎn)器(qì)較大(dà)的區別。

磁集極霍爾傳(chuán)感(gǎn)器在片(piàn)內集成了(liǎo)去偏(piān)移(yí)電路和(hé)溫(wēn)度漂移電(diàn)路。並且由於內部(bù)集(jí)成(chéng)了(liǎo)可(kě)編(biān)程放大器(qì),可(kě)以(yǐ)通(tōng)過(guò)軟(ruǎn)件(jiàn)配(pèi)置放大(dà)倍(bèi)數,調節傳感器的靈(líng)敏度(dù)。其內部(bù)電路結(jié)構(gòu)如圖6所(suǒ)示(shì)。

圖6磁集極霍(huò)爾(ěr)傳感器內部電路(lù)示意(yì)圖(tú)

2.1.2導(dǎo)體電流的計(jì)算(suàn)

由奧斯特(tè)試驗(yàn)可知,通電導綫(xiàn)周(zhōu)圍(wéi)存(cún)在磁場(cháng)。磁場強度與(yǔ)電(diàn)流大(dà)小和導綫距(jù)離(lí)有關(guān),其(qí)關係式

H(I)=I/L     (7)

在真空中,磁場強(qiáng)度與(yǔ)磁通的關係有

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(rú):r=1mm,電流I=50A,則(zé)

B(I，r)=μ₀μ₁I/2^πr=10mT     (13)

使(shǐ)用(yòng)靈(líng)敏(mǐn)度為280V/T的(dí)磁(cí)集極(jí)霍爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)檢測,輸(shū)出為U_out=0.01T×280V/T=2.8V。

圖(tú)7電流計(jì)算示(shì)意(yì)圖(tú)

3安科(kē)瑞(ruì)霍爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)產(chǎn)品(pǐn)選型

3.1產(chǎn)品介(jiè)紹

霍(huò)爾(ěr)電流傳(chuán)感器主(zhǔ)要(yào)適(shì)用(yòng)於交流(liú)，直流，脈(mài)衝等復雜信號的隔(gé)離轉(zhuǎn)換，通(tōng)過(guò)霍(huò)爾(ěr)效(xiào)應原(yuán)理使變(biàn)換(huàn)後(hòu)的(dí)信號能夠直接被AD，DSP，PLC，二次儀(yí)表等(děng)各(gè)種采集裝置(zhì)直(zhí)接采(cǎi)集和接(jiē)受(shòu)，響應(yīng)時(shí)間(jiān)快，電流測量(liáng)範圍寬精(jīng)度高(gāo)，過(guò)載能(néng)力強(qiáng)，綫(xiàn)性(xìng)好，抗幹(gān)擾能(néng)力(lì)強。適用於電流監控及電池(chí)應用，逆(nì)變(biàn)電源(yuán)及太(tài)陽能電源管(guǎn)理係(xì)統，直(zhí)流(liú)屏及(jí)直流馬達(dá)驅動(dòng)，電鍍(dù)，焊接應(yīng)用(yòng)，變頻器，UPS伺(sì)服控(kòng)製等係(xì)統電流(liú)信(xìn)號(hào)采集和反(fǎn)饋控製。

3.2產品選型(xíng)

3.2.1開(kāi)口式開環(huán)霍(huò)爾電流傳(chuán)感器

表(biǎo)1

3.2.2閉口式開(kāi)環霍(huò)爾電流傳感器

表(biǎo)2

3.2.3閉環霍爾(ěr)電流傳感器

表3

3.2.4直(zhí)流(liú)漏電(diàn)流(liú)傳感器(qì)

表(biǎo)4

4結(jié)束(shù)語

通過實驗(yàn)可(kě)知,與(yǔ)傳統霍爾傳感器相(xiāng)比(bǐ)較(jiào),集(jí)磁(cí)極電(diàn)流傳感器具有測量範圍(wéi)寬，綫性度(dù)良(liáng)好(hǎo)，精度(dù)高，安裝(zhuāng)方便，成本(běn)低，低噪(zào)聲(shēng)等點(diǎn)。采用集磁(cí)極(jí)電流(liú)傳感(gǎn)器對(duì)大電流(liú)檢測具(jù)有越(yuè)的性能(néng)。通(tōng)過(guò)增(zēng)加(jiā)導(dǎo)綫與傳感器的(dí)距(jù)離就(jiù)可以增加傳感器的(dí)測量範(fàn)圍(wéi)。在無(wú)外界噪(zào)聲(shēng)幹擾的情(qíng)況下,其綫性(xìng)度和測量精(jīng)度並不因(yīn)為距離的增(zēng)加(jiā)而(ér)降低。由(yóu)於(yú)集磁極電流(liú)傳(chuán)感器內部(bù)集(jí)成(chéng)電路(lù)使得(dé)輸(shū)出(chū)靈(líng)敏(mǐn)度增加,減(jiǎn)小整(zhěng)個(gè)裝(zhuāng)置(zhì)的(dí)體(tǐ)積,特(tè)別適用於電(diàn)動(dòng)汽(qì)車(chē)這(zhè)類空(kōng)間(jiān)有(yǒu)限(xiàn)的場合(hé)。

【參(cān)考文獻(xiàn)】

[1]郭(guō) 軍，劉和平(píng)， 劉(liú) 平.基於大電流檢測的(dí)霍爾傳感器應(yīng)用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用(yòng)手(shǒu)冊2019.11版(bǎn)