閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

2．2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的大小成正比，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)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小，即 I∝B∝VH (2)

式中，I為通過(guò)導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電壓。

選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。

對(duì)于霍爾輸出電壓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：一類為開環(huán)(或稱直測(cè)式、直檢式)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)(或稱零磁通式、磁平衡式)霍爾電流傳感器。

針對(duì)霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接放大，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)電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(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)是精度和線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為克服開環(huán)傳感器的缺點(diǎn)，20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，北京701廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)率先在國(guó)內(nèi)開展閉環(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，這種傳感器逐漸為國(guó)內(nèi)廣大用戶了解和應(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所示．即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流(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)。式(3)成立。

N×IN =n×IM (3)

式中．IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝；：IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。

由式(3)看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算匠邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測(cè)量。

3 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十年來(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)量任意波形的電流，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～2kV；

3)電流測(cè)量范圍寬(1 mA～50kA)；

4)跟蹤速度(di/dt)高于50A／μs；

5)線性度優(yōu)于0．1％IN；

6)響應(yīng)時(shí)間小于1μs；

7)頻率響應(yīng)范圍為0 kHz～100kHz。