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)電流流過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，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。

對于霍爾輸出電壓VH的處理，人們設(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來講可分為兩類：一類為開環(huán)(或稱直測式、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，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流的大小，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)是電路形式簡單、成本相對較低；其缺點(diǎn)是精度和線性度較差，響應(yīng)時間較慢，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)國外技術(shù)率先在國內(nèi)開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器逐漸為國內(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)生的磁場通過一個副邊線圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償．使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時。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，通過測量副邊補(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，與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測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)可以同時測量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖電流；

2)副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～2kV；

3)電流測量范圍寬(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)時間小于1μs；

7)頻率響應(yīng)范圍為0 kHz～100kHz。