20KA閉環(huán)霍爾電流傳感器在核聚變裝置供電電源系統中的應用

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電流的模塊化產(chǎn)品，它的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)形關(guān)系，因

此可利用霍爾器件的測得的輸出信號，直接反應出導線(xiàn)中的電流大小，即：

I ∝ B ∝ V_H （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；V_H為霍爾器件在磁場(chǎng)B中產(chǎn)生的霍爾電壓。

當選擇適當的比例系數，上述關(guān)系可以表示為等式。

對于霍爾輸出電壓信號V_H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而言，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信號放大，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、線(xiàn)性度較差；響應時(shí)間較慢；溫度漂移較大。為了克服開(kāi)環(huán)傳感器存在的不足，八十年代末期，國外出現了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七O一廠(chǎng)引進(jìn)國外技術(shù)在國內率先開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制、生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，這種傳感器在國內逐漸為廣大用戶(hù)了解和應用。

圖3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的（如圖3），即原邊電流（I_N）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線(xiàn)圈的電流（I_M）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)，即有如下等式：

N×I_N= n×I_M（3）

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

由上式看出，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I_M的大小，即可推算出原邊電流I_N的值，從而實(shí)現了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

圖4 CHB-20KA閉環(huán)霍爾電流傳感器