基于閉環(huán)霍爾效應(yīng)的電流傳感器設(shè)計

賴俊駒，彭浩，胡金磊，黃石華，王文博

（1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠 511515；2. 上海啟亦電子科技有限公司，上海 201499）

0 引言

隨著目前電力設(shè)備內(nèi)部集成化水平的不斷提高，電力設(shè)備內(nèi)部布線的空間越發(fā)狹小，在電工技術(shù)領(lǐng)域進行電流測量時，需要準確、快速地實現(xiàn)電流測量，這對相關(guān)傳感器的設(shè)計提出了更高的要求[1-2]。磁傳感器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電流測量中，從設(shè)計原理上可分為Rogowski線圈[3]、巨磁阻效應(yīng)[4]、隧道效應(yīng)[5]、光學效應(yīng)[6]、霍爾效應(yīng)[7]等。基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器是目前使用較為廣泛的一種電流傳感器，不少科研單位都進行了霍爾電流傳感器的設(shè)計[8-10]。由于開環(huán)式霍爾電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點，在實際工程中廣泛應(yīng)用的霍爾電流傳感器大多采用開環(huán)霍爾原理[11-12]。但開環(huán)霍爾原理為了防止磁芯飽和存在著氣隙較大，漏磁大的問題，在測量小電流信號時精度較低且受到溫飄影響較大，不利于電流精確測量。而閉環(huán)霍爾原理采用零磁通的原理，氣隙較小，漏磁少，可以實現(xiàn)較高的精度、線性度，因此，可考慮根據(jù)閉環(huán)霍爾原理進行電流傳感器的設(shè)計[13]。

本文采用霍爾原理進行了電流傳感器的設(shè)計，對關(guān)鍵器件進行了優(yōu)化選型，根據(jù)所需電流量程確定了電路參數(shù)，并采用數(shù)字控制器實現(xiàn)了對霍爾器件的調(diào)零。試驗證明本文設(shè)計的電流傳感器具有較高的測量精度，且小電流信號時仍能保證較小的相對誤差，具有較好的使用價值。

1 基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器設(shè)計原理

霍爾原理是一種定義了磁場與感應(yīng)電壓之間物理關(guān)系的電磁效應(yīng)。霍爾效應(yīng)的物理原理圖如圖1所示，當電流I流過施加外磁場B的半導體或?qū)w時，由于洛倫茲力的作用造成半導體空穴載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在電場與磁場之間疊加一個附加電場，從而在半導體兩端產(chǎn)生一個電勢差，即霍爾電壓。

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the Hall effect

霍爾電壓反映了磁場與感應(yīng)電壓的比例關(guān)系，其表達式如式(1)所示：

其中，I為通過霍爾材料的電流大小，B為外施磁場強度，d為霍爾材料的厚度，RH為材料的霍爾系數(shù)，與其自身性能有關(guān)。

目前根據(jù)霍爾效應(yīng)測電流通常有開環(huán)式霍爾電流傳感器與閉環(huán)式霍爾電流傳感器兩種。開環(huán)霍爾傳感器采用放置在磁芯氣隙中的霍爾元件將被測電流產(chǎn)生的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中磁芯通常采用坡莫合金等磁導率較大的軟磁材料制成。之后再通過信號處理電路將霍爾元件轉(zhuǎn)換的微弱電信號放大濾波，再經(jīng)過相關(guān)數(shù)字電路后測出被測電流。開環(huán)霍爾傳感器的基本工作原理如圖2所示。

圖2 開環(huán)霍爾電流傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of open-loop Hall current sensor

由于受到鐵芯材料非線性的影響，開環(huán)霍爾電流傳感器在實際運行中具有溫漂大、精度不高、線性度差的缺陷。閉環(huán)霍爾電流傳感器采用零磁通原理對以上缺陷進行優(yōu)化，該原理所采用的氣隙較小，漏磁少，可以實現(xiàn)較高的精度、線性度以及被測信號與測量信號之間良好的電氣絕緣。

圖3 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of closed-loop Hall current sensor

圖3為閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理圖。相較于開環(huán)霍爾電流傳感器，閉環(huán)霍爾傳感器通過霍爾元件將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的原理基本一致，較大地區(qū)別是其增加了一個補償線圈的反饋。

閉環(huán)霍爾傳感器計算電流的基本原理如下：R1、R2左端為霍爾傳感器差分信號輸出端，霍爾元件產(chǎn)生的電信號經(jīng)過高速運算放大器處理后輸出一個補償電流，該電流通過補償反饋線圈產(chǎn)生一個與載流導體產(chǎn)生的磁場相反的磁場，該磁場會導致霍爾元件的輸出逐漸減小，直到補償電流產(chǎn)生的磁場與載流導體的磁場達到磁平衡狀態(tài)，此時通過霍爾傳感器磁通為零磁通狀態(tài)。運算放大電路部分采用PI放大器的結(jié)構(gòu)可以理論上消除誤差，做到無靜差控制。當電路穩(wěn)態(tài)后，電流傳感器的磁路也能實現(xiàn)磁平衡，此時初次級線圈滿足：

其中Np為原邊線圈匝數(shù)，為原邊線圈的電流，Ns為補償線圈的匝數(shù)，Is為補償線圈的電流。通過檢測補償線圈的電流反映載流導體的電流，補償線圈的電流通過測量采樣電阻Rm上的電壓Vo計算求得，則待測電流可表示為

2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的設(shè)計

在整個閉環(huán)霍爾電流傳感器的設(shè)計部分中，其電流測量部分主要包括鐵磁材料、霍爾元件、放大電路、反饋線圈四個部分。通過電流測量部分測得待測電流的大小后再通過相關(guān)數(shù)字電路與控制電路實現(xiàn)測量結(jié)果的顯示。閉環(huán)霍爾電流傳感器的電路邏輯圖如圖4所示，本文將針對電流測量電路的各部分設(shè)計進行相應(yīng)闡述。

圖4 閉環(huán)霍爾電流傳感器電路邏輯圖Fig.4 Circuit logic diagram of closed-loop Hall current sensor

2.1 鐵芯材料的選擇

在霍爾電流傳感器的設(shè)計中，鐵芯材料通常需要具有較好的聚磁能力，盡可能避免漏磁帶來的影響，提高測量裝置的線性測量能力。目前應(yīng)用較廣泛的鐵芯材料包括硅鋼片、坡莫合金、非晶合金與鐵氧體等。坡莫合金是一種以鐵和鎳為基本材料，通過添加少量其它元素來提高材料的硬度與電阻率。本文選用Ni81Fe29坡莫合金作為鐵芯材料，該合金的磁致伸縮與各相異性磁晶體都比較低，因此具有較優(yōu)的初始磁導率與最大磁導率，且矯頑力也很低。在鐵芯材料的制備中，采用低溫退火的方式優(yōu)化材料性能，并通過磁控濺射的方式在坡莫合金表面鍍上一層Al2O3氧化膜，用于提高材料的磁阻并提高材料的抗腐蝕能力。經(jīng)過相應(yīng)設(shè)計，本文所設(shè)計的聚磁鐵芯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 聚磁鐵芯的設(shè)計Fig.5 Design of the polymagnetic core

2.2 霍爾元件的選擇

霍爾元件是一種可由硅、砷化鎵、銻化銦等半導體材料制作而成的半導體器件。本文設(shè)計時采用高靈敏度銻化銦HW302B芯片作為霍爾芯片，在圖5中也顯示了霍爾芯片的安裝位置，其置于兩個四分之一圓形磁芯的中間氣隙中，與鉗口位置角度相差90°，這種安裝方式可以通過測量算法的校正來解決氣隙漏磁帶來的精度問題。

本文所選擇的霍爾芯片采用單列直插封裝形式安裝，由電壓與電源兩種模式供電，輸入阻抗240 Ω，輸出阻抗550 Ω，輸出電壓范圍為122～204 mV，失調(diào)電壓為 -7～7 mV。

2.3 放大電路與反饋電路的設(shè)計

霍爾元件可以將感應(yīng)到的磁場轉(zhuǎn)換為電信號，以霍爾電壓的形式存在，但由于其電壓較小，需要進行進一步放大處理才能實現(xiàn)測量。本文采用運算放大器LM201作為放大電路的主要元件，該芯片具有較大的放大倍數(shù)，且能夠與補償線圈組合搭建反饋電路。

放電電路通常由輸入部分、放大器件與輸出部分以及偏置部分組成。在圖3所示的閉環(huán)霍爾電路中，本文設(shè)置R1=R2=1.5 kΩ，R3=R4=75 kΩ，控制本文放大電路的放大倍數(shù)為50倍。特別地，本文的放大電路采用差分放大電路的結(jié)構(gòu)，起到提高放大電路的共模抑制比的作用，并能夠減少溫飄對測量精度的影響，輸出部分采用甲乙類對稱放大器，用于減小測量電路的非線性失真。具體而言，本裝置的R1與R2作為放大電路的輸入部分，分別與霍爾芯片的兩端相連。霍爾芯片在待測電流通過時兩端產(chǎn)生一個霍爾電勢，R1與R2將霍爾電勢差轉(zhuǎn)化為電流差，經(jīng)過放大電路放大后在輸出端輸出反饋電流IS，驅(qū)動補償線圈產(chǎn)生磁通。

閉環(huán)霍爾電流傳感器通過反饋電流IS產(chǎn)生的磁場與待測電流產(chǎn)生的磁場低消實現(xiàn)鐵芯在氣隙的磁通保持為零磁通狀態(tài)，此時霍爾元件兩端的電勢差為0，再通過采樣電路實現(xiàn)對反饋電流的采樣，最終實現(xiàn)對待測電流的間接測量。放大電路中R3和R4以及負反饋控制芯片的存在可以確保IS自動調(diào)整到R1和R2傳遞來的電流差為0。IS通過采樣電阻Rm進行測量，反饋電流通過采樣電阻并在其兩端產(chǎn)生一個電壓降V0，即可計算求得被測電流。

本文采用補償線圈的匝數(shù)為10000匝，則被測電流的大小可表示為

其中Rm是取樣電阻，Vo是取樣電阻上的電壓降。

2.4 調(diào)零電路的設(shè)計

表1為典型霍爾芯片的相關(guān)參數(shù)。由表可知。在霍爾芯片的供電電壓為6 V的條件下，即使導磁鐵芯的氣隙處磁場為0，霍爾芯片的兩端仍然能夠達到最大±16 mV的電勢輸出，這個電勢稱為霍爾材料的零偏置電壓，若零偏電壓在測量電路中無法得到有效的補償?shù)拖?，將會對電流測量部分精度帶來較大的影響，特別是在小電流測量中，零偏電壓帶來的誤差更為明顯。

表1 典型霍爾芯片的參數(shù)手冊Table 1 Typical Hall chip parameter manual

電路調(diào)零主要采用調(diào)節(jié)VF+與VF-實現(xiàn)，本文采用數(shù)字控制器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換控制VF+與VF-的大小，用于抵消霍爾芯片零偏電壓的影響。在圖3所示的電路中取R1=R2，R3=R4，C3=C4，R5=R6，則輸出電壓Vo與VF+和VF-的關(guān)系為

由于數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換只能輸出正電壓，因此，通過調(diào)節(jié)VF+可以抵消霍爾芯片的負偏置，通過調(diào)節(jié)VF-可以抵消霍爾芯片的正偏置。

3 實例分析

為了驗證本文所設(shè)計的閉環(huán)電流傳感器的性能，本文采用模擬實驗來測試裝置的準確性。本試驗的待測電流由一75匝初級線圈提供，初級線圈上的電流范圍為0～7 A，用于模擬待測電流范圍為0～525 A。選取某公司采用的開環(huán)電流傳感器商業(yè)化探頭作為對照對象，測試結(jié)果如表2所示。

表2 閉環(huán)電流傳感器與開環(huán)傳感器結(jié)果對比Table 2 Comparison of closed-loop current sensor and open-loop sensor

為了使對照結(jié)果更直觀地展示，將表2的內(nèi)容以圖表的形式展現(xiàn)，做出開環(huán)霍爾電流傳感器與閉環(huán)霍爾電流傳感器的誤差對比圖如圖6所示。由圖可知，開環(huán)電流傳感器有著較大的零偏電流，在測量較小的電流信號時，測量效果較差，隨著測量電流信號的數(shù)值變大，開環(huán)電流傳感器的相對誤差隨之減小，但相對誤差仍然大于本文調(diào)零后的閉環(huán)霍爾傳感器。此外，本文采用的調(diào)零后的閉環(huán)霍爾電流傳感器的零偏電流遠小于開環(huán)電流傳感器，在測量小電流信號時具有明顯優(yōu)勢。

圖6 開環(huán)傳感器與閉環(huán)傳感器誤差對比Fig.6 Error comparison between open loop sensor and closed loop sensor

同樣地，為了比較閉環(huán)霍爾電流傳感器調(diào)零對測量精度的影響，本文采用閉環(huán)霍爾電流傳感器進行測試，其中一個測試樣本未經(jīng)過調(diào)零處理，另一樣本采用數(shù)字控制器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換調(diào)零，測試結(jié)果如表3所示。

表3 調(diào)零對測量精度的影響Table 3 The effect of zero adjustment on measurement accuracy

將表3的內(nèi)容以圖表的形式展現(xiàn)，作出調(diào)零前與調(diào)零后的閉環(huán)霍爾電流傳感器的測試誤差對比圖如圖7所示。由圖可知，未調(diào)零的閉環(huán)霍爾電流傳感器具有較大的零偏電流，且該零偏電流在后續(xù)的電流測量中一直存在，疊加在之后的測量結(jié)果中，圖中清楚地展示出了未調(diào)零的霍爾電流傳感器的測量誤差在零偏電流附近波動。因此，未調(diào)零的霍爾電流傳感器在測量小電流信號時仍然會存在較大的測量誤差，調(diào)零后的閉環(huán)電流傳感器測量效果明顯提升。

圖7 調(diào)零對測量的誤差影響Fig.7 Effect of zero adjustment on measurement error

本文的測試結(jié)果說明本文所設(shè)計的調(diào)零后的閉環(huán)電流傳感器明顯具有更小的測量誤差，且在小電流信號測量時仍能保證較好的精度。

4 結(jié)論

閉環(huán)式霍爾電流傳感器采用磁平衡的方法進行電流測量，可以保證測量電流時保證較小的氣隙，防止氣隙過大導致的漏磁，從而提高測量精度。本文設(shè)計的霍爾電流傳感器采用差分放大電路進行放大，避免溫飄對測量結(jié)果的影響；通過甲乙類對稱放大器減小電路的非線性失真；采用數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對霍爾元件零偏電壓的調(diào)零，從而使其能夠在小電流信號時保證較高的精度。本文通過試驗驗證了本文所設(shè)計的經(jīng)過調(diào)零的閉環(huán)霍爾電流傳感器在測量電流時的測量誤差遠小于開環(huán)電流傳感器與未調(diào)零的閉環(huán)電流傳感器，具有較好的實用性。