摘要：随着电力电子技术的发展,现有检出和测量电流的元件(如分流器、电流互感器)已不能满足中、高频、高di/dt、宽频谱(包含直流分量)电流波形的传递。二霍尔电流传感器是现在弥补这一空缺的主要电流检测元件。
关键词：霍尔传感器；应用；融合；开口式霍尔电流传感器
1霍尔效应
如图2所示的片状半导体(霍尔元件),有一对电流端子和一对电压端子,从电流端子通入恒定直流电流I,并将此霍尔元件置于如图所示的磁场中,则霍尔元件中的电荷将受到洛仑兹力的作用,正负电荷将分别偏移到有电压端子的两侧,于是在霍尔元件内部形成电场,当霍尔元件内部电荷受到的电场力和洛仑兹力相平衡时,电压端子两侧积聚的电荷数量也稳定下来,在两个电压端子间形成电势,此即霍尔电势。霍尔电势UH的数值与恒定直流I和外磁场强度H相关
式一
式中R为霍尔常数,与半导体材料性质和载流子浓度有关,d是霍尔元件的厚度。霍尔元件制成后,d和R均为常数.恒定直流I受霍尔元件工作温度的限制,也有规定的数值,因此霍尔电势UH仅与H成正比。
图1霍尔效应适应图
利用载流体周围的磁场H,作用在霍尔元件上产生相应的霍尔电势U,,即按比例反映了载流体中电流的数值。
2霍尔电流传感器的基本工作原理
用图2所示结构的一磁路,将载流体周围的磁通集中穿过霍尔元件,同时霍尔元件电流端子通以规定的直流I。一则霍尔元件电压端上就会产生霍尔电势,将此电势放大后输入磁芯的补偿线圈,当补偿线圈产生的磁通完全补偿被测电流产生的磁通时,补偿线圈的电流按比例反映了被测电流的数值。图中被测电流为I,原边的安匝数为I*l安匝,设补偿线圈为N匝。补偿电流为I。,则在安匝数平衡时
式二
图2霍尔电流传感器工作原理
I。可通过取样电阻R转换成电压输出,则R两端电压U。为
式三
显然U。与被测电流I成正比,只要测得U。即可换算得I,此即霍尔电流传感器的工作原理
3霍尔电流传感器(以下简称传感器)的特点一
根据上述工作原理可归纳如下特点:
(1)传感器输入与输出间和普通电流互感器一样具有良好的电隔离,绝缘耐压优于3kV;
( 2)传感器是个大闭环系统,所以可以不失真地传递自直流至100kHz频带内的任何波形电流。图3显示了用霍尔电流传感器传递的电流脉冲波形。图中下面的波形是被测电流,幅值32A,宽度100us,上升沿陡度成≤0.6us,重复频率10Hz,单向电流脉冲。图中下面的波形是传感器输出电压,输出响应＜1us，
图3霍尔电流传感器传递的电流脉冲波形
x=0.1ms/divy=2V/div取样电阻3Ω
(3)因为是补偿式测量,所以具有良好的精确度(±1%)和线性度(≤0.1%*额定电流)。
(4)传感器磁路几乎是零磁通工作,动态变化时又是快速补偿,所以传感器是无电感性的元件。
4霍尔电流传感器与其它检测元件的比较
以往检测电流的常用元件有分流器和电流互感器(直流或交流)。
使用分流器存在的较多问题是输入与输出之间没有电隔离。此外,用分流器检测高频或大电流时,不可避免地带有电感性,因此分流器的接入既影响被测电流波形,也不能真实传递非正弦波形。
电流互感器在规定的工作频率下有较高的精确度,但是它能适应的频率范围很窄,尤其不能传递直流二此外,电流互感器工作时存在激磁电流,所以它是电感性元件,存在和分流器相同的缺点。
5霍尔电流传感器的使用方法
霍尔电流传感器的接线方法如图4,它需要外接士15v稳压直流电源,M端外接取样电阻(阻值由传感器量程决定,一般为数十欧姆)。
图4霍尔电流传感器接线图
霍尔电流传感器外壳印有表示原边被测电流正方向的箭头。当原边被测电流按箭头方向流动时，传感器M端输出正电压，反之输出负电压。
例:50A霍尔电流传感器补偿线圈是1000匝,规定M端外接取样电阻为90Ω。该传感器原边较大可测交流电流50A(方均根值),或直流电流±35A(50A/√2=5A)若用此传感器测较大为10A交流电流,原边单匝穿过传感器,则被测电流达到10A时,传感器M端输出电压可根据原边安匝数与补偿线圈安匝数平衡的原则计算
式四
原边也可以穿5匝,则原边为50安匝,M端输出电压为
式五
6霍尔电流传感器的应用
电力电子电路中的电流往往有很大的di/dt、非正弦、直流成分等,要真实地检出这种电流波形,霍尔元件是目前适当的元件。
利用霍尔电流传感器工作频带宽的特点,可用于检测非正弦电流供谐波分析,峰值测量等。
例1随着电力电子设备单机容量的提高,设备从电网中吸取的电流谐波也增大,可用图5方法检测交流进线电流中的谐波。
图5电力电子设备网侧电流谐波用霍尔电流传感器检出
例2利用PWM(脉冲宽度调制)控制,以改善电力电子设备输入或输出电流波形的技术已得到广泛应用,要分析轻微的电流波形畸变,目前唯有使用高保真度的霍尔电流传感器检出波形,方法与图5同。
例3在点焊、脉冲电镀等设备中,可以用霍尔电流传感器检出电流波形,用峰值电压表测量传感器输出电压,然后换算出被测峰值电流。
例4利用霍尔传感器的无电感特性测量电力电子线路中的di/dt,不会因接入传感器而改变原有的di/dt值。
霍尔电流传感器的快速响应,适合于电力电子设备的过电流或短路保护电路中检测电流信号,实现快速保护。
例5在电压型逆变器(如图6)中,由于换相失败很*使一相中上下两个桥臂中的半导体器件因过电流而损坏,这种逆变器必须采用快速过电流保护。
图6用霍尔传感器在电压型逆变器的过电流保护中检测电流信号
可以用霍尔电流传感器检测每个侨臂中半导体器件的电流,如图6。若因换相失败造成T1T4同时导电,则相应的两个传感器同时检出电流信号,经电压比较器转换成方波后,使“与”门的两个输入都为“1”,因而“与”门输出“l”。以此封锁所有的逆变触发脉冲,以切断短路途径。
这种方法的优点是:(1)只要T1T4同时存在较小的电流,保护立即动作,因为保护动作早,T1T4不会经受大电流;(2)保护动作速度快。因为霍尔电流传感器是无电感性的元件,因此T1T4关断时它不会产生过电压,所以RC吸收电路的设计不必顾虑传感器的影响。
霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离,因而扩展了它的应用范围。
例6在输出直流的电力电子设备中,可以用霍尔电流传感器获取有电离的直流电流信号,用于电流反馈,截流控制,稳流调节,直流侧过流、短路保护等。
7安科瑞霍尔传感器产品选型
7.1 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。
7.2产品选型
7.2.1 开口式开环霍尔电流传感器
图3
7.2.2闭口式开环霍尔电流传感器
图4
7.2.3闭环霍尔电流传感器
图5
7.2.4直流漏电流传感器
图6
8 结束语
基于霍尔传感器具有结构简单、体积小、使用寿命长、使用方便、灵敏度高等优点，使得其在电气测量仪器仪表等方面得到了广泛的应用。为了能够适应现代电力电子设备对检测精度越来越高的要求，对霍尔传感器技术的研究也应该不断提高。
【参考文献】
[1]秦祖荫.霍尔电流传感器的性能及其使用 《电力电子技术》1994年*4期
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2019.11版
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