摘 要：本文介紹閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理及在地面車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車用電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量、控制，解決了地面車輛的大功率發(fā)電系統(tǒng)的限流保護(hù)問題。

1 引 言

地面車用電源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng)）的輸出電流的檢測(cè)與控制，直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，從而會(huì)影響車輛用電負(fù)載的運(yùn)行狀況及車輛的可操作性。由于車用電源的負(fù)載常常因?yàn)檐囕v復(fù)雜的使用條件而導(dǎo)致負(fù)載變化較大，隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制，會(huì)造成電源因過載而發(fā)熱，影響其功率輸出，更嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源永久失效。

閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡(jiǎn)稱傳感器）在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量，即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)調(diào)整處理，通過調(diào)整、設(shè)定該信號(hào)并反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不在增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會(huì)因用電負(fù)載的變化而損壞。

2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

1879年，美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，霍爾技術(shù)越來越多的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入八十年代，隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件應(yīng)用開發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大的擴(kuò)展了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件

霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差即為霍爾電壓VH ，這個(gè)電壓VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算有如下等式關(guān)系：

VH =（RH/d）×B×IC （1）

式中：VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。

上式中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。

2.2閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式的（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件的測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大小，即：

I ∝ B ∝ VH （2）

式中：I為通過導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)B中產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)VH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)（或稱直測(cè)式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對(duì)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(yùn)算放大器直接信號(hào)放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測(cè)電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度、線性度較差；響應(yīng)時(shí)間較慢；溫度漂移較大。為了克服開環(huán)傳感器存在的不足，八十年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七O一廠引進(jìn)國外技術(shù)在國內(nèi)率先開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制、生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器在國內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)用。

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過一個(gè)副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即有如下等式：

N×IN= n×IM （3）

式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。
由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝
數(shù)時(shí)，通過測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)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出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能要大大的優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測(cè)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(cè)量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；
2) 副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2KV~12KV；
3) 電流測(cè)量范圍寬，可測(cè)量額定1mA~50KA電流；
4) 跟蹤速度di/dt：高于50A/us；
5) 線性度：優(yōu)于0.1% IN；
6) 響應(yīng)時(shí)間：小于1us；
7)頻率響應(yīng)：0~100KHz。

4 傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功的應(yīng)用于各種電源、逆變焊機(jī)、發(fā)電及輸變電設(shè)備、電氣傳動(dòng)、數(shù)控機(jī)床、軍用裝備等工業(yè)及軍用產(chǎn)品上。下面以額定電流為300A的CHB-300S型霍爾電流傳感器為例說明這種傳感器的應(yīng)用。
表1 CHB-300S型霍爾傳感器的主要性能參數(shù)
符 號(hào)名 稱參 數(shù)
型 號(hào)CHB-300S
IN額定電流300A（RMS）
IP測(cè)量范圍0~500A
IM輸出電流150mA對(duì)應(yīng)原邊300A
X精度（Ta=25℃）

IN的±0.5%
KN匝 比1：2000
L線性度< 0.1%
di/dt> 50A/ μS
Ioff失調(diào)電流±0.3mA（典型）
Tr反應(yīng)時(shí)間1μS
Vc電源電壓Vc（±5%）
Ic耗 電28mA + IM

CHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器的額定電流為300A， 輸出電流為150mA，表1給出了CHB-300S型傳感器的主要性能參數(shù)。

某型地面車輛裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，在該車輛發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選用了CHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測(cè)部件，傳感器的主要作用是隔離檢測(cè)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，通過對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-300S的應(yīng)用，很好的實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。通過設(shè)置傳感器CHB-300S的輸出信號(hào)，對(duì)發(fā)電機(jī)D1的輸出電流加以限制，避免出現(xiàn)發(fā)電機(jī)的輸出功率過高而發(fā)生故障或損壞，保證發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。