闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用

: vini

2007-12-03

闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用
李泽勇王文生
摘要：本文介绍闭环霍尔电流传感器的工作原理及在地面车用电源系统中的应用，实现了对车用电源系统输出电流的隔离测量、控制，解决了地面车辆的大功率发电系统的限流保护问题。

关键词：闭环; 霍尔电流传感器; 车用电源; 应用

Application of Close-Loop Hall Current Sensor for Power System in a Vehicle
Li Ze-Yong Wang Wen-sheng
　　Abstract: This article presents a principle of a close-loop Hall current sensor and an application of the sensor for a power system in a vehicle. The sensor is used to measure an output current of the power system and the output signal of the sensor is isolated between the primary current (The output current of the power system) and the secondary current (The output signal of the sensor). According to this application, we solve a problem to protect the high power system in a vehicle by limiting the output current of the system. Keywords: Close-loop; Hall current sensor; Power system in a vehicle; Application
1 引言
　地面车用电源系统（以下简称电源系统）的输出电流的检测与控制，直接决定了电源系统工作的稳定性和可靠性，从而会影响车辆用电负载的运行状况及车辆的可操作性。由于车用电源的负载常常因为车辆复杂的使用条件而导致负载变化较大，随之电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载而发热，影响其功率输出，更严重情况下会导致电源永久失效。
　闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，即传感器的输出信号与电源的输出电流电气隔离，有利于传感器输出信号调整处理，通过调整、设定该信号并反馈控制电源系统的输出电流，当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不在增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护电源系统不会因用电负载的变化而损坏。
2 闭环霍尔传感器的工作原理
　1879年，美国物理学家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，霍尔技术越来越多的应用于工业控制的各个领域。进入八十年代，随着元器件工艺技术的发展，霍尔器件的性能大大提高，由霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有很大提高，特别是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大的扩展了该项技术的应用领域。
2.1 霍尔效应及霍尔器件
　霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压VH ，这个电压VH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有如下等式关系：
VH =（RH/d）×B×IC
（1）式中：VH为霍尔电压；B为磁感应强度；IC为控制电流；RH为霍尔系数；d为半导体厚度。
上式中，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件。
2.2闭环霍尔电流传感器的工作原理
　闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式的（或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式）。众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号，直接反应出导线中的电流大小，即：

I ∝ B ∝ VH （2）

式中：I为通过导线中的电流；B为导线通电流后产生的磁感应强度；VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。当选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；另一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。
　针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优点是电路形式简单、成本相对较低；其缺点是精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较大。为了克服开环传感器存在的不足，八十年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感器。1989年，北京七O一厂引进国外技术在国内率先开展闭环霍尔电流传感器的研制、生产。经过十几年的努力，这种传感器在国内逐渐为广大用户了解和应用。
　闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流（IN）所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流（IM）所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式：
N×IN= n×IM
（3）式中：IN为原边电流；N为原边线圈的匝数；IM为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。
3 闭环霍尔电流传感器的主要性能
　闭环霍尔电流传感器是近十年来出现的高技术模块化产品，其性能要大大的优于开环霍尔电流传感器，同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
1) 可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；
2) 副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2KV~12KV；
3) 电流测量范围宽，可测量额定1mA~50KA电流；
4) 跟踪速度di/dt：高于50A/us；
5) 线性度：优于0.1% IN；
6) 响应时间：小于1us；
7)频率响应：0~100KHz。
4 传感器在车用电源系统中的应用
　闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功的应用于各种电源、逆变焊机、发电及输变电设备、电气传动、数控机床、军用装备等工业及军用产品上。下面以额定电流为300A的CHB-300S型霍尔电流传感器为例说明这种传感器的应用。
表1 CHB-300S型霍尔传感器的主要性能参数

符号名称参数型号

CHB-300S
IN 额定电流 300A（RMS）
IP 测量范围 0~500A
IM 输出电流 150mA
对应原边300A
X 精度（Ta=25℃） IN的±0.5%
KN 匝比 1：2000 L
线性度 < 0.1%
di/dt > 50A/ µS
Ioff 失调电流 ±0.3mA（典型）
Tr 反应时间 1µS
Vc 电源电压
Vc（±5%）
Ic 耗电 28mA + IM

　CHB-300S型闭环霍尔电流传感器的额定电流为300A，输出电流为150mA，表1给出了CHB-300S型传感器的主要性能参数。
　某型地面车辆装备了一套独立的大功率发电系统，在该车辆发电系统中设计选用了CHB-300S型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作用是隔离检测发电系统的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。闭环霍尔电流传感器CHB-300S的应用，很好的实现了上述应用目的。通过设置传感器CHB-300S的输出信号，对发电机D1的输出电流加以限制，避免出现发电机的输出功率过高而发生故障或损坏，保证发电系统的正常工作。
　经过测试，该传感器的性能能够满足车用发电系统对电流检测的需要，该设计已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。

参考文献 [1] 刘恩科、朱秉升等编，《半导体物理学》，263~268页，上海科学技术出版社，1984. [2] 502室编，《半导体专业实验讲义》，西北电讯工程学院，1986.

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