摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)有檢出和測(cè)量電流的元件(如分流器、電流互感器)已不能滿足中、高頻、高di/dt、寬頻譜(包含直流分量)電流波形的傳遞。二霍爾電流傳感器是現(xiàn)在彌補(bǔ)這一空缺的主要電流檢測(cè)元件。
 
關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；應(yīng)用；融合；開口式霍爾電流傳感器
 
1霍爾效應(yīng)
如圖2所示的片狀半導(dǎo)體(霍爾元件),有一對(duì)電流端子和一對(duì)電壓端子,從電流端子通入恒定直流電流I,并將此霍爾元件置于如圖所示的磁場(chǎng)中,則霍爾元件中的電荷將受到洛侖茲力的作用,正負(fù)電荷將分別偏移到有電壓端子的兩側(cè),于是在霍爾元件內(nèi)部形成電場(chǎng),當(dāng)霍爾元件內(nèi)部電荷受到的電場(chǎng)力和洛侖茲力相平衡時(shí),電壓端子兩側(cè)積聚的電荷數(shù)量也穩(wěn)定下來,在兩個(gè)電壓端子間形成電勢(shì),此即霍爾電勢(shì)。霍爾電勢(shì)UH的數(shù)值與恒定直流I和外磁場(chǎng)強(qiáng)度H相關(guān)
 
式一
 
式中R為霍爾常數(shù),與半導(dǎo)體材料性質(zhì)和載流子濃度有關(guān),d是霍爾元件的厚度?；魻栐瞥珊?d和R均為常數(shù).恒定直流I受霍爾元件工作溫度的限制,也有規(guī)定的數(shù)值,因此霍爾電勢(shì)UH僅與H成正比。
 
圖1霍爾效應(yīng)適應(yīng)圖
利用載流體周圍的磁場(chǎng)H,作用在霍爾元件上產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電勢(shì)U,,即按比例反映了載流體中電流的數(shù)值。
 
2霍爾電流傳感器的基本工作原理
用圖2所示結(jié)構(gòu)的一磁路,將載流體周圍的磁通集中穿過霍爾元件,同時(shí)霍爾元件電流端子通以規(guī)定的直流I。一則霍爾元件電壓端上就會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì),將此電勢(shì)放大后輸入磁芯的補(bǔ)償線圈,當(dāng)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通*補(bǔ)償被測(cè)電流產(chǎn)生的磁通時(shí),補(bǔ)償線圈的電流按比例反映了被測(cè)電流的數(shù)值。圖中被測(cè)電流為I,原邊的安匝數(shù)為I*l安匝,設(shè)補(bǔ)償線圈為N匝。補(bǔ)償電流為I。,則在安匝數(shù)平衡時(shí)
 
式二
 
圖2霍爾電流傳感器工作原理
 
I?？赏ㄟ^取樣電阻R轉(zhuǎn)換成電壓輸出,則R兩端電壓U。為
 
式三
顯然U。與被測(cè)電流I成正比,只要測(cè)得U。即可換算得I,此即霍爾電流傳感器的工作原理
 
3霍爾電流傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)的特點(diǎn)一
根據(jù)上述工作原理可歸納如下特點(diǎn):
(1)傳感器輸入與輸出間和普通電流互感器一樣具有良好的電隔離,絕緣耐壓于3kV;
 
2) 傳感器是個(gè)大閉環(huán)系統(tǒng),所以可以不失真地傳遞自直流至100kHz頻帶內(nèi)的任何波形電流。圖3顯示了用霍爾電流傳感器傳遞的電流脈沖波形。圖中下面的波形是被測(cè)電流,幅值32A,寬度100us,上升沿陡度成≤0.6us,重復(fù)頻率10Hz,單向電流脈沖。圖中下面的波形是傳感器輸出電壓,輸出響應(yīng)＜1us，
 
圖3霍爾電流傳感器傳遞的電流脈沖波形
x=0.1ms/divy=2V/div取樣電阻3Ω
(3)因?yàn)槭茄a(bǔ)償式測(cè)量,所以具有良好的度(±1%)和線性度(≤0.1%*額定電流)。
(4)傳感器磁路幾乎是零磁通工作,動(dòng)態(tài)變化時(shí)又是快速補(bǔ)償,所以傳感器是無電感性的元件。
 
4霍爾電流傳感器與其它檢測(cè)元件的比較
以往檢測(cè)電流的常用元件有分流器和電流互感器(直流或交流)。
使用分流器存在的較多問題是輸入與輸出之間沒有電隔離。此外,用分流器檢測(cè)高頻或大電流時(shí),不可避免地帶有電感性,因此分流器的接入既影響被測(cè)電流波形,也不能真實(shí)傳遞非正弦波形。
電流互感器在規(guī)定的工作頻率下有較高的度,但是它能適應(yīng)的頻率范圍很窄,尤其不能傳遞直流二此外,電流互感器工作時(shí)存在激磁電流,所以它是電感性元件,存在和分流器相同的缺點(diǎn)。
 
5霍爾電流傳感器的使用方法
霍爾電流傳感器的接線方法如圖4,它需要外接士15v穩(wěn)壓直流電源,M端外接取樣電阻(阻值由傳感器量程決定,一般為數(shù)十歐姆)。
 
圖4霍爾電流傳感器接線圖
霍爾電流傳感器外殼印有表示原邊被測(cè)電流正方向的箭頭。當(dāng)原邊被測(cè)電流按箭頭方向流動(dòng)時(shí)，傳感器M端輸出正電壓，反之輸出負(fù)電壓。
例:50A霍爾電流傳感器補(bǔ)償線圈是1000匝,規(guī)定M端外接取樣電阻為90Ω。該傳感器原邊較大可測(cè)交流電流50A(方均根值),或直流電流±35A(50A/√2=5A)若用此傳感器測(cè)較大為10A交流電流,原邊單匝穿過傳感器,則被測(cè)電流達(dá)到10A時(shí),傳感器M端輸出電壓可根據(jù)原邊安匝數(shù)與補(bǔ)償線圈安匝數(shù)平衡的原則計(jì)算
 
式四
原邊也可以穿5匝,則原邊為50安匝,M端輸出電壓為
 
式五
 
6霍爾電流傳感器的應(yīng)用
電力電子電路中的電流往往有很大的di/dt、非正弦、直流成分等,要真實(shí)地檢出這種電流波形,霍爾元件是目適當(dāng)?shù)脑?/span>
利用霍爾電流傳感器工作頻帶寬的特點(diǎn),可用于檢測(cè)非正弦電流供諧波分析,峰值測(cè)量等。
例1隨著電力電子設(shè)備單機(jī)容量的提高,設(shè)備從電網(wǎng)中吸取的電流諧波也增大,可用圖5方法檢測(cè)交流進(jìn)線電流中的諧波。
 
 
圖5電力電子設(shè)備網(wǎng)側(cè)電流諧波用霍爾電流傳感器檢出
 
例2利用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制,以改善電力電子設(shè)備輸入或輸出電流波形的技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,要分析輕微的電流波形畸變,目唯有使用高保真度的霍爾電流傳感器檢出波形,方法與圖5同。
例3在點(diǎn)焊、脈沖電鍍等設(shè)備中,可以用霍爾電流傳感器檢出電流波形,用峰值電壓表測(cè)量傳感器輸出電壓,然后換算出被測(cè)峰值電流。
例4利用霍爾傳感器的無電感特性測(cè)量電力電子線路中的di/dt,不會(huì)因接入傳感器而改變?cè)械膁i/dt值。
霍爾電流傳感器的快速響應(yīng),適合于電力電子設(shè)備的過電流或短路保護(hù)電路中檢測(cè)電流信號(hào),實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)。
例5在電壓型逆變器(如圖6)中,由于換相失敗很容易使一相中上下兩個(gè)橋臂中的半導(dǎo)體器件因過電流而損壞,這種逆變器必須采用快速過電流保護(hù)。
 
圖6用霍爾傳感器在電壓型逆變器的過電流保護(hù)中檢測(cè)電流信號(hào)
 
可以用霍爾電流傳感器檢測(cè)每個(gè)僑臂中半導(dǎo)體器件的電流,如圖6。若因換相失敗造成T1T4同時(shí)導(dǎo)電,則相應(yīng)的兩個(gè)傳感器同時(shí)檢出電流信號(hào),經(jīng)電壓比較器轉(zhuǎn)換成方波后,使“與”門的兩個(gè)輸入都為“1”,因而“與”門輸出“l”。以此封鎖所有的逆變觸發(fā)脈沖,以切斷短路途徑。
這種方法的點(diǎn)是:(1)只要T1T4同時(shí)存在極小的電流,保護(hù)立即動(dòng)作,因?yàn)楸Ｗo(hù)動(dòng)作早,T1T4不會(huì)經(jīng)受大電流;(2)保護(hù)動(dòng)作速度快。因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅魇菬o電感性的元件,因此T1T4關(guān)斷時(shí)它不會(huì)產(chǎn)生過電壓,所以RC吸收電路的設(shè)計(jì)不必顧慮傳感器的影響。
霍爾電流傳感器在直流檢測(cè)中同樣具有電隔離,因而擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。
例6在輸出直流的電力電子設(shè)備中,可以用霍爾電流傳感器獲取有電離的直流電流信號(hào),用于電流反饋,截流控制,穩(wěn)流調(diào)節(jié),直流側(cè)過流、短路保護(hù)等。
7安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
7.1 產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
 
7.2產(chǎn)品選型
7.2.1 開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
 
圖3
7.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
 
圖4
7.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
 
 
圖5
7.2.4直流漏電流傳感器
 
圖6
 
8 結(jié)束語
基于霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用壽命長(zhǎng)、使用方便、靈敏度高等點(diǎn)，使得其在電氣測(cè)量?jī)x器儀表等方面得到了廣泛的應(yīng)用。為了能夠適應(yīng)現(xiàn)代電力電子設(shè)備對(duì)檢測(cè)精度越來越高的要求，對(duì)霍爾傳感器技術(shù)的研究也應(yīng)該不斷提高。
 
【參考文獻(xiàn)】
[1]秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用 《電力電子技術(shù)》1994年第4期
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2019.11版