【導(dǎo)讀】本文使用閉環(huán)霍爾電流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,并通過反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流。
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,霍爾技術(shù)被越來越多地應(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。
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VH,VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比,經(jīng)過理論推算有式(1)關(guān)系。
VH=(RH/d)×B×IC(1)
式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;IC為控制電流;RH為霍爾系數(shù);d為半導(dǎo)體厚度。
式(1)中,若保持控制電流IC不變,在一定條件下,可通過測(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
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)的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比,這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集,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∝VH(2)
式中:I為通過導(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)VH的處理,人們?cè)O(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(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(IN)所產(chǎn)生的磁場(chǎng),通過一個(gè)副邊線圈的電流(IM)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×IN=N2×IM(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),通過測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小,即可推算出原邊電流IN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
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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%IN;
6)響應(yīng)時(shí)間<1μs;
7)頻率響應(yīng)0~100kHz。
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,說明這種傳感器的應(yīng)用。
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IM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
結(jié)語
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。