摘要:介紹了傳統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)霍爾傳感器的基本原理,并就傳統(tǒng)霍爾傳感器配合磁環(huán)的方法和新型磁集極霍爾傳感器在大電流檢測(cè)中的應(yīng)用方案進(jìn)行了對(duì)比,分析了它們的缺點(diǎn)。重點(diǎn)研究了磁集極霍爾傳感器在電動(dòng)汽車中的電機(jī)控制器的大電流情況下的測(cè)量應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:其具有測(cè)量范圍寬、高線性度、低磁滯、高靈敏度、體積小、價(jià)格低等點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:霍爾傳感器;大電流檢測(cè);磁集極

0引言

電流檢測(cè)在電動(dòng)汽車的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、動(dòng)力管理等方面有著重要的應(yīng)用。例如:電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、變頻控制、過載保護(hù)、電池荷電狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。但在電流測(cè)量中存在2個(gè)困難:1)測(cè)量儀表不方便直接串入電路中;2)電流檢測(cè)電路與被測(cè)電路不能直接耦合,否則,會(huì)影響被測(cè)電路的直流工作點(diǎn)。霍爾傳感器由于具有體積小、功耗低、噪聲小、隔離效果好等點(diǎn),在電流監(jiān)測(cè)方面受到廣泛的青睞。特別是霍爾傳感器配合磁環(huán)的設(shè)計(jì)一直被廣泛地使用。但由于傳統(tǒng)的霍爾傳感器的靈敏度比較低,輸出信號(hào)有偏置電壓和噪聲,對(duì)于處理電路要求高,系統(tǒng)成本高。傳統(tǒng)的霍爾傳感器如果使用不當(dāng),它的霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B為非線性關(guān)系,且存在不平衡電壓UHe,嚴(yán)重影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度。通常采用集磁環(huán)來提高霍爾傳感器的靈敏度,但是集磁環(huán)和霍爾傳感器是分離的,體積龐大,不便于在實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。基于霍爾效應(yīng)的磁集極霍爾傳感器,很大程度上提高了電流檢測(cè)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(zhǔn)確度。

1傳統(tǒng)霍爾傳感器基本原理及其應(yīng)用

• 1霍爾效應(yīng)

霍爾元件應(yīng)用的基本原理是霍爾效應(yīng),如圖1所示。

圖1霍爾效應(yīng)原理圖

在Y軸方向上(垂直于導(dǎo)體或者半導(dǎo)體薄片)通磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng),同時(shí)在X軸方向通電流I_H,則半導(dǎo)體薄片在Z軸上將產(chǎn)生一個(gè)微小電壓U_H。這種現(xiàn)象即稱為霍爾效應(yīng)。U_H稱為霍爾電勢(shì),其大小可表示為：

U_H=(R_H/d)·I_H·B   （1）

式中R_H為霍爾系數(shù),由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定;d為半導(dǎo)體材料的厚度。

設(shè)R_H/d=K,則式(1)可寫為U_H=K·I_H·B   （2）

可見霍爾電壓與控制電流及磁感應(yīng)強(qiáng)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(shù),磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)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(shù),B與被測(cè)電壓呈正比,又可制成霍爾電壓傳感器

1.2傳統(tǒng)霍爾傳感器的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)霍爾傳感器的靈敏度比較低,所以,在使用時(shí)一般都要增加集磁環(huán)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(huán)原理圖

該磁環(huán)有個(gè)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(cè)量電流的基本結(jié)構(gòu)。但由于霍爾傳感器一般由半導(dǎo)體材料制成,對(duì)溫度比較敏感,而且輸出電壓也很低(為毫伏級(jí)),所以,還需要溫度補(bǔ)償部分和電壓放大部分才能比較準(zhǔn)確地對(duì)電流進(jìn)行測(cè)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(cè)的精度。為了解決這些問題,研究人員做了很多工作去彌補(bǔ)這些缺點(diǎn),較為有效的技術(shù)包括開環(huán)、閉環(huán)和開閉環(huán)混合霍爾效應(yīng)技術(shù)。

1.2.1開環(huán)霍爾傳感器

開環(huán)霍爾傳感器可以測(cè)量直流、交流和混合電流,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3開環(huán)霍爾傳感器

開環(huán)霍爾傳感器的點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,功耗低,低插入損耗。但其缺點(diǎn)也很明顯,例如:高頻電流下,磁芯發(fā)熱將磁芯損耗;帶寬交窄;高零點(diǎn)和增益漂移;低線性度和精度。

1.2.2閉環(huán)霍爾傳感器

閉環(huán)霍爾傳感器是在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)性能的提高,如圖4所示。

圖4閉環(huán)霍爾傳感器

集磁環(huán)上繞有次級(jí)繞阻,該繞組中通有低電流,以此來增加磁通從而抵消導(dǎo)線電流IP產(chǎn)生的磁通。將霍爾傳感器放置于磁環(huán)缺口中,這時(shí)傳感器將產(chǎn)生與磁環(huán)鐵芯中磁通密度呈正比關(guān)系的電壓U_H。通過放大器將U_H放大,并反饋給推挽放大器。補(bǔ)償電流I_s也通過推挽放大器反饋到次級(jí)繞阻中,從而使集磁環(huán)中的磁通為零。因此,一個(gè)閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器也可以作為一個(gè)補(bǔ)償或者零磁通霍爾效應(yīng)電流傳感器。電流I_s產(chǎn)生的磁通與I_P產(chǎn)生的磁通大小相等方向相反。此時(shí)有式(3)

N_PI_P=N_SI_S       (3)

I_P=N_SI_S/N_P      (4)

由圖可知有式(5)

V_sense=R_tI_s           (5)

I_P=N_SV_sense/N_PR_t     (6)

從而由式(5)～式(6)可以通過檢測(cè)電阻R_t兩端的電壓來間接檢測(cè)電流I_P。這樣就可以減小磁滯現(xiàn)象,并且降低對(duì)鐵芯和霍爾傳感器線性工作的依賴性。

閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器也能準(zhǔn)確地測(cè)量直流、交流和混合電流,其勢(shì)在于高帶寬(直流能達(dá)到200kHz),和線性度,快速的反應(yīng)速度,低插入損耗和低增益漂移。

雖然閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器都能在一定程度上滿足所測(cè)量電流的線性度和精度,但由于傳感器要求磁場(chǎng)與霍爾元件垂直。所以,必須增加磁環(huán),這樣就直接增加了測(cè)量裝置的體積,而且,磁環(huán)也存在安裝補(bǔ)丁等工藝問題。另外,傳統(tǒng)霍爾傳感器對(duì)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(bǔ)償環(huán)節(jié)和電壓放大環(huán)節(jié),這勢(shì)必增加整個(gè)檢測(cè)裝置的成本。

2新型霍爾傳感器的基本原理及其應(yīng)用

與傳統(tǒng)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(gè)點(diǎn):1)磁集極霍爾傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)霍爾傳感器高,和磁阻傳感器相當(dāng);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(xiàn)象;3)磁集極霍爾傳感器的3dB帶寬為100kHz,典型的響應(yīng)時(shí)間只有3μs,可以廣泛地應(yīng)用于PWM控制和過載保護(hù)中檢測(cè)電流信號(hào),實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)。

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(tǒng)霍爾傳感器和集磁環(huán)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)得到的一種新型霍爾傳感器。它們較大的區(qū)別在于磁集極采用一個(gè)高磁導(dǎo)率和低矯頑磁場(chǎng)的鐵磁體制作成鐵磁層。該鐵磁層采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝技術(shù),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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

磁集極的2個(gè)部分吸收并放大平行于芯片的磁通,同時(shí)旋轉(zhuǎn)磁通垂直于芯片表面。這正是磁集極霍爾傳感器與傳統(tǒng)霍爾傳感器較大的區(qū)別。

磁集極霍爾傳感器在片內(nèi)集成了去偏移電路和溫度漂移電路。并且由于內(nèi)部集成了可編程放大器,可以通過軟件配置放大倍數(shù),調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6磁集極霍爾傳感器內(nèi)部電路示意圖

2.1.2導(dǎo)體電流的計(jì)算

由奧斯特試驗(yàn)可知,通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小和導(dǎo)線距離有關(guān),其關(guān)系式

H(I)=I/L     (7)

在真空中,磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通的關(guān)系有

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:r=1mm,電流I=50A,則

B(I，r)=μ₀μ₁I/2^πr=10mT     (13)

使用靈敏度為280V/T的磁集極霍爾傳感器檢測(cè),輸出為U_out=0.01T×280V/T=2.8V。

圖7電流計(jì)算示意圖

3安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

3.2產(chǎn)品選型

3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表1

3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

3.2.4直流漏電流傳感器

表4

4結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)可知,與傳統(tǒng)霍爾傳感器相比較,集磁極電流傳感器具有測(cè)量范圍寬、線性度良好、精度高、安裝方便、成本低、低噪聲等點(diǎn)。采用集磁極電流傳感器對(duì)大電流檢測(cè)具有越的性能。通過增加導(dǎo)線與傳感器的距離就可以增加傳感器的測(cè)量范圍。在無外界噪聲干擾的情況下,其線性度和測(cè)量精度并不因?yàn)榫嚯x的增加而降低。由于集磁極電流傳感器內(nèi)部集成電路使得輸出靈敏度增加,減小整個(gè)裝置的體積,特別適用于電動(dòng)汽車這類空間有限的場(chǎng)合。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭 軍、劉和平、 劉 平.基于大電流檢測(cè)的霍爾傳感器應(yīng)用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2019.11版