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

摘要：介紹了閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理及在地面車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車用電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量、控制，解決了地面車輛的大功率發(fā)電系統(tǒng)的限流保護(hù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)；霍爾電流傳感器；車用電源；應(yīng)用

1    引言

    地面車用電源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng)）輸出電流的檢測(cè)與控制，直接關(guān)系著電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，并影響車輛的運(yùn)行狀況及車輛的可操作性。由于車輛復(fù)雜的使用條件導(dǎo)致車用電源的負(fù)載變化較大，隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制，會(huì)造成電源因過(guò)載而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源永久失效。

    閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡(jiǎn)稱傳感器）在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量，并通過(guò)反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流。當(dāng)電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)了電源系統(tǒng)不會(huì)因用電負(fù)載的變化而損壞。

2    閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

    自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)被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，由霍爾器件應(yīng)用開發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有了很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大地?cái)U(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1），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，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)理論推算有式（1）關(guān)系。

    V_H=（R_H/d）×B×I_C（1）

式中：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。

    式（1）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，人們研制出了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。

圖1    霍爾效應(yīng)原理

2.2    閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

    閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（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)一根導(dǎo)線時(shí)，將在導(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)有良好的線形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反映出導(dǎo)線中的電流大小，即

    I∝B∝V_H（2）

式中：I為通過(guò)導(dǎo)線的電流；

      B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

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

    對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)V_H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而言，人們最容易想到的是將霍爾器件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接進(jìn)行信號(hào)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)是其精度、線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為了克服開環(huán)傳感器的不足，上世紀(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，北京七○一廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)率先開展閉環(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，這種傳感器在國(guó)內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(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），即原邊電流（I_N）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流（I_M）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)，即

    N₁×I_N=N₂×I_M（3）

式中：N₁為原邊線圈的匝數(shù)；

      N₂為副邊線圈的匝數(shù)。

    由式（3）可以看出，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I_M的大小，即可推算出原邊電流I_N的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)量。

圖2    閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

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10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～12kV；

    3）電流測(cè)量范圍寬，可測(cè)量額定1mA～50kA電流；

    4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；

    5）線性度優(yōu)于0.1％I_N；

    6）響應(yīng)時(shí)間<1μs；

    7）頻率響應(yīng)0～100kHz。

4    傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

    閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功地應(yīng)用于逆變焊機(jī)，發(fā)電及輸變電設(shè)備，電氣傳動(dòng)，數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品上。表1以額定電流為300A的CHB－300S型霍爾電流傳感器為例，說(shuō)明這種傳感器的應(yīng)用。

表1    CHB－300S型霍爾傳感器的主要性能參數(shù)

    在某型地面車輛上裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了CHB－300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測(cè)部件，通過(guò)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB－300S的應(yīng)用，很好地實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。如圖3所示，發(fā)電機(jī)G輸出正端匯流母線穿過(guò)CHB－300S/SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB－300S/SP1檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電流，傳感器的輸出I_M與發(fā)電機(jī)控制盒相連，由發(fā)電機(jī)控制盒設(shè)定發(fā)電機(jī)的輸出電流控制點(diǎn)，依據(jù)此信號(hào)，對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電流加以限制，避免發(fā)電機(jī)因輸出功率過(guò)高而發(fā)生故障或損壞，從而保證發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

圖3    CHB－300S傳感器的應(yīng)用

5    結(jié)語(yǔ)

    該傳感器能夠滿足車用發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電流檢測(cè)的技術(shù)要求，已在多套地面車輛的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果受到專家的肯定。