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    淺談霍爾電流傳感器的原理及其應用

    發布時間: 2020-06-12  點擊次數: 292次

    摘要:隨著電力電子技術的發展,現有檢出和測量電流的元件(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在彌補這一空缺的主要電流檢測元件。
     
    關鍵詞:霍爾傳感器;應用;融合;開口式霍爾電流傳感器
     
    1霍爾效應
    如圖2所示的片狀半導體(霍爾元件),有一對電流端子和一對電壓端子,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中,則霍爾元件中的電荷將受到洛侖茲力的作用,正負電荷將分別偏移到有電壓端子的兩側,于是在霍爾元件內部形成電場,當霍爾元件內部電荷受到的電場力和洛侖茲力相平衡時,電壓端子兩側積聚的電荷數量也穩定下來,在兩個電壓端子間形成電勢,此即霍爾電勢?;魻栯妱軺H的數值與恒定直流I和外磁場強度H相關
     
    式一
     
    式中R為霍爾常數,與半導體材料性質和載流子濃度有關,d是霍爾元件的厚度?;魻栐瞥珊?d和R均為常數.恒定直流I受霍爾元件工作溫度的限制,也有規定的數值,因此霍爾電勢UH僅與H成正比。
     
    圖1霍爾效應適應圖
    利用載流體周圍的磁場H,作用在霍爾元件上產生相應的霍爾電勢U,,即按比例反映了載流體中電流的數值。
     
    2霍爾電流傳感器的基本工作原理
    用圖2所示結構的一磁路,將載流體周圍的磁通集中穿過霍爾元件,同時霍爾元件電流端子通以規定的直流I。一則霍爾元件電壓端上就會產生霍爾電勢,將此電勢放大后輸入磁芯的補償線圈,當補償線圈產生的磁通完全補償被測電流產生的磁通時,補償線圈的電流按比例反映了被測電流的數值。圖中被測電流為I,原邊的安匝數為I*l安匝,設補償線圈為N匝。補償電流為I。,則在安匝數平衡時
     
    式二
     
    圖2霍爾電流傳感器工作原理
     
    I??赏ㄟ^取樣電阻R轉換成電壓輸出,則R兩端電壓U。為
     
    式三
    顯然U。與被測電流I成正比,只要測得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(以下簡稱傳感器)的特點一
    根據上述工作原理可歸納如下特點:
    (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) 傳感器是個大閉環系統,所以可以不失真地傳遞自直流至100kHz頻帶內的任何波形電流。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電流,幅值32A,寬度100us,上升沿陡度成≤0.6us,重復頻率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<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)因為是補償式測量,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,動態變化時又是快速補償,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元件的比較
    以往檢測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,用分流器檢測高頻或大電流時,不可避免地帶有電感性,因此分流器的接入既影響被測電流波形,也不能真實傳遞非正弦波形。
    電流互感器在規定的工作頻率下有較高的度,但是它能適應的頻率范圍很窄,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。
     
    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電流正方向的箭頭。當原邊被測電流按箭頭方向流動時,傳感器M端輸出正電壓,反之輸出負電壓。
    例:50A霍爾電流傳感器補償線圈是1000匝,規定M端外接取樣電阻為90Ω。該傳感器原邊較大可測交流電流50A(方均根值),或直流電流±35A(50A/√2=5A)若用此傳感器測較大為10A交流電流,原邊單匝穿過傳感器,則被測電流達到10A時,傳感器M端輸出電壓可根據原邊安匝數與補償線圈安匝數平衡的原則計算
     
    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,要真實地檢出這種電流波形,霍爾元件是目適當的元件。
    利用霍爾電流傳感器工作頻帶寬的特點,可用于檢測非正弦電流供諧波分析,峰值測量等。
    例1隨著電力電子設備單機容量的提高,設備從電網中吸取的電流諧波也增大,可用圖5方法檢測交流進線電流中的諧波。
     
     
    圖5電力電子設備網側電流諧波用霍爾電流傳感器檢出
     
    例2利用PWM(脈沖寬度調制)控制,以改善電力電子設備輸入或輸出電流波形的技術已得到廣泛應用,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在點焊、脈沖電鍍等設備中,可以用霍爾電流傳感器檢出電流波形,用峰值電壓表測量傳感器輸出電壓,然后換算出被測峰值電流。
    例4利用霍爾傳感器的無電感特性測量電力電子線路中的di/dt,不會因接入傳感器而改變原有的di/dt值。
    霍爾電流傳感器的快速響應,適合于電力電子設備的過電流或短路保護電路中檢測電流信號,實現快速保護。
    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橋臂中的半導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。
     
    圖6用霍爾傳感器在電壓型逆變器的過電流保護中檢測電流信號
     
    可以用霍爾電流傳感器檢測每個僑臂中半導體器件的電流,如圖6。若因換相失敗造成T1T4同時導電,則相應的兩個傳感器同時檢出電流信號,經電壓比較器轉換成方波后,使“與”門的兩個輸入都為“1”,因而“與”門輸出“l”。以此封鎖所有的逆變觸發脈沖,以切斷短路途徑。
    這種方法的點是:(1)只要T1T4同時存在極小的電流,保護立即動作,因為保護動作早,T1T4不會經受大電流;(2)保護動作速度快。因為霍爾電流傳感器是無電感性的元件,因此T1T4關斷時它不會產生過電壓,所以RC吸收電路的設計不必顧慮傳感器的影響。
    霍爾電流傳感器在直流檢測中同樣具有電隔離,因而擴展了它的應用范圍。
    例6在輸出直流的電力電子設備中,可以用霍爾電流傳感器獲取有電離的直流電流信號,用于電流反饋,截流控制,穩流調節,直流側過流、短路保護等。
    7安科瑞霍爾傳感器產品選型
    7.1 產品介紹
    霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換,通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應時間快,電流測量范圍寬精度高,過載能力強,線性好,抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器,UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。
     
    7.2產品選型
    7.2.1 開口式開環霍爾電流傳感器
     
    圖3
    7.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器
     
    圖4
    7.2.3閉環霍爾電流傳感器
     
     
    圖5
    7.2.4直流漏電流傳感器
     
    圖6
     
    8 結束語
    基于霍爾傳感器具有結構簡單、體積小、使用壽命長、使用方便、靈敏度高等點,使得其在電氣測量儀器儀表等方面得到了廣泛的應用。為了能夠適應現代電力電子設備對檢測精度越來越高的要求,對霍爾傳感器技術的研究也應該不斷提高。
     
    【參考文獻】
    [1]秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用 《電力電子技術》1994年第4期
    [2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2019.11版

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