閉環(huán)霍爾電流傳感器在車(chē)用電源系統中的應用

2．2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱(chēng)霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當電流流過(guò)一根長(cháng)的直導線(xiàn)時(shí)，在導線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流的大小成正比，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，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線(xiàn)性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線(xiàn)中電流的大小，即 I∝B∝VH (2)

式中，I為通過(guò)導線(xiàn)中的電流；B為導線(xiàn)通電流后產(chǎn)生的磁感應強度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電壓。

選擇適當的比例系數，上述關(guān)系可表示為等式。

對于霍爾輸出電壓VH的處理，人們設計了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為開(kāi)環(huán)(或稱(chēng)直測式、直檢式)霍爾電流傳感器；另一類(lèi)為閉環(huán)(或稱(chēng)零磁通式、磁平衡式)霍爾電流傳感器。

針對霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運算放大器直接放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來(lái)標定原邊被測電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱(chēng)為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對較低；其缺點(diǎn)是精度和線(xiàn)性度較差，響應時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為克服開(kāi)環(huán)傳感器的缺點(diǎn)，20世紀80年代末期，國外出現了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京701廠(chǎng)引進(jìn)國外技術(shù)率先在國內開(kāi)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，這種傳感器逐漸為國內廣大用戶(hù)了解和應用。

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的．如圖2所示．即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)副邊線(xiàn)圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補償．使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達到平衡時(shí)。式(3)成立。

N×IN =n×IM (3)

式中．IN為原邊電流；N為原邊線(xiàn)圈的匝；：IM為副邊補償電流；n為副邊線(xiàn)圈的匝數。

由式(3)看出，當已知傳感器原邊和副邊線(xiàn)圈匝數時(shí)，通過(guò)測量副邊補償電流IM的大小，即可推算匠邊電流IN的值，從而實(shí)現原邊電流的隔離測量。

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十年來(lái)出現的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)，與傳統的分流器或互感器的電流測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)測量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖電流；

2)副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～2kV；

3)電流測量范圍寬(1 mA～50kA)；

4)跟蹤速度(di/dt)高于50A／μs；

5)線(xiàn)性度優(yōu)于0．1％IN；

6)響應時(shí)間小于1μs；

7)頻率響應范圍為0 kHz～100kHz。