20KA閉環(huán)霍爾電流傳感器在核聚變裝置供電電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

1引 言

尋找和利用新的能源是全球科學(xué)家面臨的共同課題。2006年3月25日，《北京日?qǐng)?bào)》在“中國(guó)新聞”欄目中以“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置成功完成首次工程調(diào)試為題，報(bào)道了我國(guó)核聚變研究領(lǐng)域取得的成就。據(jù)報(bào)道，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研究的第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克EAST（原名HT-7U）核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，日前在合肥科學(xué)島，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所里成功進(jìn)行了首次工程調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明主機(jī)和各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是成功的。

圖1 全超導(dǎo)托卡馬克EAST核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

另?yè)?jù)報(bào)道，今年5月26日，來(lái)自世界各地的近400名科學(xué)家，在合肥科學(xué)島參觀了我國(guó)自主研制的“人造太陽(yáng)”——全超導(dǎo)托卡馬克EAST核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

“人造太陽(yáng)”是科學(xué)家門(mén)對(duì)有效控制“氫彈爆炸”過(guò)程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定輸出的實(shí)驗(yàn)裝置的一種比喻，因?yàn)樗梢韵裉?yáng)一樣，為人類提供一種無(wú)限、清潔和安全的能源。

閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡(jiǎn)稱傳感器）在核聚變裝置供電電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量，即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)調(diào)整處理，通過(guò)調(diào)整、設(shè)定該信號(hào)并反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，使得輸出電流穩(wěn)定、并連續(xù)可調(diào)，同時(shí)對(duì)輸出電流的過(guò)載起到監(jiān)控作用，確保提供到核聚變裝置的能量安全、穩(wěn)定。

2閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

1879年，美國(guó)物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來(lái)，霍爾技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入八十年代，隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件應(yīng)用開(kāi)發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大的擴(kuò)展了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1霍爾效應(yīng)及霍爾器件

霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)（如圖2），半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差即為霍爾電壓V_H，

這個(gè)電壓V_H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流I_C成正比，經(jīng)過(guò)理論推算有如下等式關(guān)系：

式中：V_H為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I_C為控制電流；R_H為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。

上式中，若保持控制電流I_C不變，在一定條件下，可通過(guò)測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。

圖2 霍爾效應(yīng)原理