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浅谈大电流检测的霍尔传感器选型与应用

  • 发布日期:2020-09-05      浏览次数:68
    • 淮亚利

      安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

       

      摘要:介绍了传统开环和闭环霍尔传感器的基本原理,并就传统霍尔传感器配合磁环的方法和新型磁集极霍尔传感器在大电流检测中的应用方案进行了对比,分析了它们的优缺点。重点研究了磁集极霍尔传感器在电动汽车中的电机控制器的大电流情况下的测量应用,实验结果表明:其具有测量范围宽、高线性度、低磁滞、高灵敏度、体积小、价格低等优点。

       

      关键词:霍尔传感器;大电流检测;磁集极

       

      0引言

            电流检测在电动汽车的控制、保护、监测、动力管理等方面有着重要的应用。例如:电机驱动控制、变频控制、过载保护、电池荷电状态监测等。但在电流测量中存在2个困难:1)测量仪表不方便直接串入电路中;2)电流检测电路与被测电路不能直接耦合,否则,会影响被测电路的直流工作点。霍尔传感器由于具有体积小、功耗低、噪声小、隔离效果好等优点,在电流监测方面受到广泛的青睐。特别是霍尔传感器配合磁环的设计一直被广泛地使用。但由于传统的霍尔传感器的灵敏度比较低,输出信号有偏置电压和噪声,对于处理电路要求高,系统成本高。传统的霍尔传感器如果使用不当,它的霍尔电压UH与磁感应强度B为非线性关系,且存在不平衡电压UHe,严重影响检测系统的精度。通常采用集磁环来提高霍尔传感器的灵敏度,但是集磁环和霍尔传感器是分离的,体积庞大,不便于在实际检测系统中应用。基于霍尔效应的磁集极霍尔传感器,很大程度上提高了电流检测的灵敏度,而且处理电路简单,安装方便,线性度好,具有较高的准确度。

       

      1传统霍尔传感器基本原理及其应用

      1.1霍尔效应

            霍尔元件应用的基本原理是霍尔效应,如图1所示。

      图1霍尔效应原理图

            在Y轴方向上(垂直于导体或者半导体薄片)通磁感应强度为B的磁场,同时在X轴方向通电流IH,则半导体薄片在Z轴上将产生一个微小电压UH。这种现象即称为霍尔效应。UH称为霍尔电势,其大小可表示为:

      UH=(RH/d)·IH·B   (1)

      式中RH为霍尔系数,由半导体材料的性质决定;d为半导体材料的厚度。

            设RH/d=K,则式(1)可写为UH=K·IH·B   (2)

            可见霍尔电压与控制电流及磁感应强度的乘积呈正比,K称为乘积灵敏度。K值越大,灵敏度就越高;元件厚度越小,输出电压也越大。式(2)中,若控制电流IH为常数,磁感应强度B与被测电流呈正比,就可以做成霍尔电流传感器;另外,若仍固定IH为常数,B与被测电压呈正比,又可制成霍尔电压传感器

       

      1.2传统霍尔传感器的应用

            由于传统霍尔传感器的灵敏度比较低,所以,在使用时一般都要增加集磁环来增加穿过霍尔传感器的磁通并使磁通垂直穿过霍尔传感器,如图2所示。

       

      图2磁环原理图

            该磁环有个很小的开口,将霍尔传感器插入其中,使磁通垂直于传感器。这便形成了霍尔传感器测量电流的基本结构。但由于霍尔传感器一般由半导体材料制成,对温度比较敏感,而且输出电压也很低(为毫伏级),所以,还需要温度补偿部分和电压放大部分才能比较准确地对电流进行测量。除此之外,霍尔传感器的较高频率和线性范围也困扰着电流检测的精度。为了解决这些问题,研究人员做了很多工作去弥补这些缺点,较为有效的技术包括开环、闭环和开闭环混合霍尔效应技术。

       

      1.2.1开环霍尔传感器

            开环霍尔传感器可以测量直流、交流和混合电流,结构如图3所示。

      图3开环霍尔传感器

            开环霍尔传感器的优点是结构简单,成本低,功耗低,低插入损耗。但其缺点也很明显,例如:高频电流下,磁芯发热将磁芯损耗;带宽交窄;高零点和增益漂移;低线性度和精度。

       

      1.2.2闭环霍尔传感器

            闭环霍尔传感器是在开环的基础上增加补偿电路来实现性能的提高,如图4所示。

      图4闭环霍尔传感器

            集磁环上绕有次级绕阻,该绕组中通有低电流,以此来增加磁通从而抵消导线电流IP产生的磁通。将霍尔传感器放置于磁环缺口中,这时传感器将产生与磁环铁芯中磁通密度呈正比关系的电压UH。通过放大器将UH放大,并反馈给推挽放大器。补偿电流Is也通过推挽放大器反馈到次级绕阻中,从而使集磁环中的磁通为零。因此,一个闭环霍尔效应传感器也可以作为一个补偿或者零磁通霍尔效应电流传感器。电流Is产生的磁通与IP产生的磁通大小相等方向相反。此时有式(3)

      NPIP=NSIS       (3)

      IP=NSIS/NP      (4)

      由图可知有式(5)

      Vsense=RtIs           (5)

      IP=NSVsense/NPRt     (6)

            从而由式(5)~式(6)可以通过检测电阻Rt两端的电压来间接检测电流IP。这样就可以减小磁滞现象,并且降低对铁芯和霍尔传感器线性工作的依赖性。

            闭环霍尔效应电流传感器也能准确地测量直流、交流和混合电流,其优势在于高带宽(直流能达到200kHz),高精度和线性度,快速的反应速度,低插入损耗和低增益漂移。

            虽然闭环霍尔效应电流传感器都能在一定程度上满足所测量电流的线性度和精度,但由于传感器要求磁场与霍尔元件垂直。所以,必须增加磁环,这样就直接增加了测量装置的体积,而且,磁环也存在安装补丁等工艺问题。另外,传统霍尔传感器对温度的变化敏感,且输出电压很小,所以,必须额外增加温度补偿环节和电压放大环节,这势必增加整个检测装置的成本。

       

      2新型霍尔传感器的基本原理及其应用

            与传统的霍尔传感器和磁阻传感器比较,磁集极霍尔传感器具有3个优点:1)磁集极霍尔传感器的灵敏度比传统霍尔传感器高,和磁阻传感器相当;2)磁集极霍尔传感器改善了磁阻传感器的非线性和磁滞现象;3)磁集极霍尔传感器的3dB带宽为100kHz,典型的响应时间只有3μs,可以广泛地应用于PWM控制和过载保护中检测电流信号,实现快速保护。

       

      2.1磁集极霍尔传感器的基本原理

      2.1.1磁集极霍尔传感器

            磁集极霍尔传感器是在传统霍尔传感器和集磁环的基础上,改进得到的一种新型霍尔传感器。它们较大的区别在于磁集极采用一个高磁导率和低矫顽磁场的铁磁体制作成铁磁层。该铁磁层采用标准的CMOS工艺技术,把它附着在芯片表面,如图5所示。

      图5磁集极霍尔传感器内部结构图

            磁集极的2个部分吸收并放大平行于芯片的磁通,同时旋转磁通垂直于芯片表面。这正是磁集极霍尔传感器与传统霍尔传感器较大的区别。

            磁集极霍尔传感器在片内集成了去偏移电路和温度漂移电路。并且由于内部集成了可编程放大器,可以通过软件配置放大倍数,调节传感器的灵敏度。其内部电路结构如图6所示。

      图6磁集极霍尔传感器内部电路示意图

      2.1.2导体电流的计算

            由奥斯特试验可知,通电导线周围存在磁场。磁场强度与电流大小和导线距离有关,其关系式

      H(I)=I/L     (7)

      在真空中,磁场强度与磁通的关系有

      B(H)=μ0μ1H          (8)

      μ0=4π×10-7Vs/Am     (9)

      L(r)=2πr            (10)

      H(I,r)=I/2πr         (11)

      B(I,r)=μ0μ1I/2πr     (12)

      例如:r=1mm,电流I=50A,则

      B(I,r)=μ0μ1I/2πr=10mT     (13)

            使用灵敏度为280V/T的磁集极霍尔传感器检测,输出为Uout=0.01T×280V/T=2.8V。

       

       

      图7电流计算示意图

      3安科瑞霍尔传感器产品选型

      3.1产品介绍

            霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

       

      3.2产品选型

      3.2.1开口式开环霍尔电流传感器

      表1

      3.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

      表2

       

      3.2.3闭环霍尔电流传感器

      表3

      3.2.4直流漏电流传感器

      表4

       

      4结束语

            通过实验可知,与传统霍尔传感器相比较,集磁极电流传感器具有测量范围宽、线性度良好、精度高、安装方便、成本低、低噪声等优点。采用集磁极电流传感器对大电流检测具有优越的性能。通过增加导线与传感器的距离就可以增加传感器的测量范围。在无外界噪声干扰的情况下,其线性度和测量精度并不因为距离的增加而降低。由于集磁极电流传感器内部集成电路使得输出灵敏度增加,减小整个装置的体积,特别适用于电动汽车这类空间有限的场合。

       

      【参考文献】

      [1]郭 军、刘和平、 刘 平.基于大电流检测的霍尔传感器应用

      [2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版

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