浅谈霍尔电流传感器的原理及其应用
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,由于换相失败很容易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同时存在极小的电流,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年第4期
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2019.11版
