閉環(huán)霍爾電壓傳感器增益溫漂補(bǔ)償技術(shù)

王慶歡 鄭良廣 鄭華雄 任浩

寧波中車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波 315021

0 引言

電力監(jiān)控系統(tǒng)是軌道交通、工業(yè)控制和新能源等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化的重要一環(huán)。電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量的主要電量參數(shù)是電壓和電流。電壓檢測(cè)方法分為非隔離檢測(cè)和隔離檢測(cè)，其中，隔離檢測(cè)法主要包括閉環(huán)霍爾電壓傳感器、光耦隔離電壓傳感器、磁通門(mén)電壓傳感器、無(wú)源電壓傳感器和數(shù)字隔離電壓傳感器等。

閉環(huán)霍爾電壓傳感器作為傳統(tǒng)的磁隔離式電壓傳感器，在測(cè)量精度和隔離電壓方面一直表現(xiàn)不錯(cuò)，基本誤差小于0.7%，線性度小于0.1%，但在2 kV 以上電壓測(cè)量領(lǐng)域，隨著線圈匝數(shù)不斷增加，線圈繞制的成本增加、產(chǎn)品體積增加、動(dòng)態(tài)特性變差、原邊功耗增加、增益溫漂變大等問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種溫漂補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)霍爾電壓傳感器的增益溫漂補(bǔ)償。

1 閉環(huán)霍爾電壓傳感器簡(jiǎn)介

閉環(huán)霍爾電壓傳感器是基于霍爾效應(yīng)的傳感器。

霍爾效應(yīng)是存在于導(dǎo)電材料中的電流和磁場(chǎng)相互作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)[1-3]。如圖1 所示，在半導(dǎo)體材料的兩端通一定的電流Ic，在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)差為VH的霍爾電壓，霍爾電壓VH與霍爾電流Ic及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比，即：

式中，K=RH/d，K稱(chēng)為靈敏度，RH稱(chēng)為霍爾系數(shù)，由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，d為半導(dǎo)體材料的厚度。

閉環(huán)霍爾電壓傳感器工作原理如圖2 所示，為了提高精度和抗外界磁場(chǎng)干擾能力，一般會(huì)采用鐵芯聚磁，鐵芯形狀一般為圓形或方形，鐵芯需要開(kāi)氣隙，霍爾元件處于氣隙中并垂直于磁路方向。通過(guò)原邊電阻Rp將被測(cè)電壓Vp轉(zhuǎn)化為被測(cè)電流Ip，被測(cè)電流Ip流過(guò)原邊線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)使霍爾元件產(chǎn)生霍爾輸出電壓VH，經(jīng)過(guò)放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)次邊線圈（運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力有限，一般需要使用功率管增加驅(qū)動(dòng)能力），產(chǎn)生輸出電流Is，輸出電流Is流過(guò)次邊線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消被測(cè)電流Ip產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使鐵芯處于零磁通狀態(tài)[4-6]，原邊線圈和次邊線圈均繞制在鐵芯上。因此，輸出電流Is與被測(cè)電壓Vp成正比，即：

其中，Np——原邊線圈匝數(shù)；

Ns——次邊線圈匝數(shù)。

2 增益溫漂問(wèn)題

實(shí)際工程應(yīng)用中，閉環(huán)霍爾電壓傳感器的原邊線圈并不是理想線圈，其阻值為RL，同時(shí)在原邊線圈兩端并聯(lián)有保護(hù)電阻R2。

原邊等效電路如圖3 所示，被測(cè)電流Ip分為I2和IL兩部分，而IL為流過(guò)原邊線圈的電流。根據(jù)歐姆定律計(jì)算出：

閉環(huán)霍爾電壓傳感器的原邊線圈通常使用的是銅質(zhì)漆包線，溫度系數(shù)約為0.39%/℃，而閉環(huán)霍爾電壓傳感器的工作范圍一般為-40 ～+85 ℃，因此，線圈阻值RL在全溫度范圍內(nèi)漂移量可達(dá)48.75%，根據(jù)公式（3），線圈阻值RL的漂移導(dǎo)致閉環(huán)霍爾電壓傳感器增益的漂移。

以常見(jiàn)的2,000 V 閉環(huán)霍爾電壓傳感器為例，Vp=2,000 V，Np/Ns=20,000:2,000，R2=220 k，Isn=50 mA。

常溫（+25 ℃）時(shí)，原邊線圈阻值RL=8 kΩ，Is=50 mA，根據(jù)公式（3）、（4）計(jì)算，IL0=5 mA，R1=378 kΩ。

當(dāng)溫度為-40 ℃時(shí)，RL=8 kΩ×(1+0.39%)-40-25=6.21 kΩ，R1=378 kΩ，R2=220 kΩ，代入公式（3）可得，IL=5.065 mA，增益溫漂為G=(IL-IL0)/IL0×100%=1.3%。

當(dāng)溫度為+85 ℃時(shí)，RL=8 kΩ×(1+0.39%)85-25=10.1 kΩ，R1=378 kΩ，R2=220 kΩ，代入式（3）可得，IL=4.934 mA，增益溫漂為G=(IL-IL0)/IL0×100% =-1.3%。

利用仿真工具對(duì)全溫度范圍內(nèi)RL阻值變化及線圈電流IL變化進(jìn)行計(jì)算，分別如圖4、圖5 所示。

綜上， 上述2,000 V 閉環(huán)霍爾電壓傳感器在-40 ～+85 ℃溫度范圍內(nèi)的增益溫漂為±1.3%。

3 增益溫漂補(bǔ)償電路

由于RL的溫度系數(shù)為正，需選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，而熱敏電阻溫度系數(shù)一般為指數(shù)級(jí)，很難與RL的溫度系數(shù)匹配。為了實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)的匹配，本文采用普通金屬膜電阻與熱敏電阻并聯(lián)的形式，增益溫漂補(bǔ)償電路如圖6 所示。為了擴(kuò)展溫度范圍，采用兩個(gè)補(bǔ)償單元相串聯(lián)。補(bǔ)償單元1 由普通電阻Rs1 與熱敏電阻Rn1 并聯(lián)而成；補(bǔ)償單元2 由普通電阻Rs2 與熱敏電阻Rn2 并聯(lián)而成，Rn1 阻值較小，Rn2 阻值較大，在高溫時(shí)，Rn1 阻值幾乎為0，主要由補(bǔ)償單元2 發(fā)揮溫度補(bǔ)償作用；在低溫時(shí)，Rn2 阻值遠(yuǎn)大于Rs2，補(bǔ)償單元2 阻值近似為Rs2，主要由補(bǔ)償單元1 發(fā)揮補(bǔ)償作用。

不同補(bǔ)償單元各自在對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間發(fā)揮補(bǔ)償作用，可以實(shí)現(xiàn)在很寬溫度范圍內(nèi)獲得理想的補(bǔ)償效果。例如，按如下參數(shù)設(shè)置補(bǔ)償單元：

補(bǔ)償單元1：Rs1 為普通電阻，阻值為2.5 kΩ，Rn1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，阻值為0.22 kΩ（@25 ℃），B常數(shù)為3,500 K，利用仿真工具計(jì)算補(bǔ)償單元1 的線性補(bǔ)償區(qū)間為-65 ～+20 ℃，如圖7 所示。

補(bǔ)償單元2：Rs2 為普通電阻，阻值為2.7 kΩ，Rn2 為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，阻值為6.8 kΩ（@25 ℃），B常數(shù)為3950 K，利用仿真工具計(jì)算補(bǔ)償單元2 的線性補(bǔ)償區(qū)間為-5 ～+100 ℃，如圖8 所示。

將補(bǔ)償單元1 與補(bǔ)償單元2 串聯(lián)組成增益溫漂補(bǔ)償電路，利用仿真工具計(jì)算線性補(bǔ)償區(qū)間為-65～+100 ℃，從而實(shí)現(xiàn)了線性補(bǔ)償區(qū)間的擴(kuò)展，如圖9 所示。

另外，與單純采用熱敏電阻補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)相比，該增益溫漂補(bǔ)償電路還具有限制熱敏電阻功耗和電壓的作用。

以補(bǔ)償單元1 為例，熱敏電阻Rn1 的功耗為：

熱敏電阻Rn1 的電壓為：

因此，當(dāng)線圈組件中通以一定電流I時(shí)，在-40 ～+85 ℃溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻Rn1 的功耗和電壓均可控，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱或過(guò)壓損壞，從而保證了可靠性。

4 計(jì)算與仿真

根據(jù)熱敏電阻技術(shù)手冊(cè)，溫度為T(mén)時(shí)，熱敏電阻阻值大小為：

其中，Rn0——熱敏電阻在+25 ℃的阻值；

B——熱敏電阻的B常數(shù)。

增加補(bǔ)償電路后，線圈組件的阻值為：

根據(jù)公式（7）、（8），利用仿真工具計(jì)算出能達(dá)到較理想補(bǔ)償效果的參數(shù)組合。

以上述2,000 V 閉環(huán)霍爾電壓傳感器為例，經(jīng)過(guò)仿真工具計(jì)算得出，Rs1、Rs2、Rn1、Rn2 按以下參數(shù)取值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較理想的補(bǔ)償效果。

Rs1=2.5 kΩ，Rn1 為NTC 熱 敏 電 阻， 阻 值 為0.22 kΩ（@25 ℃），B常數(shù)為3500 K；

Rs2=2.7 kΩ，Rn2 為NTC 熱 敏 電 阻， 阻 值 為6.8 kΩ（@25 ℃），B常數(shù)為3950 K。

根據(jù)公式（7）、（8）得出：

+25 ℃時(shí)，線圈組件（帶補(bǔ)償電路）的阻值大小為R=10.13 kΩ；

-40 ℃時(shí)，線圈組件（帶補(bǔ)償電路）的阻值大小為R=10.63 kΩ；

+85 ℃時(shí)，線圈組件（帶補(bǔ)償電路）的阻值大小為R=10.71 kΩ。

利用仿真工具計(jì)算出線圈組件的溫度變化曲線如圖10 所示。

增加補(bǔ)償電路后計(jì)算該電壓傳感器的增益溫漂：

常溫（+25 ℃）時(shí)，線圈組件R=10.13 kΩ，被測(cè)電流IL0=5 mA，R2=220 kΩ，以R替代RL，由公式（3）得，R1=373 kΩ；

當(dāng)溫度為-40 ℃時(shí)，R=10.63 kΩ，R1=373 kΩ，R2=220 kΩ，以R替 代RL，代 入 式（3）可 得，IL=4.979 mA，增益溫漂為G=(IL-IL0)/IL0×100%=-0.4%；

當(dāng)溫度為+85 ℃時(shí)，R=10.71 kΩ，R1=373 kΩ，R2=220 kΩ，以R替 代RL，代 入 式（3）可 得，IL=4.978 mA，增益溫漂為G=(IL-IL0)/IL0×100%=-0.45%。

利用仿真工具計(jì)算出線圈電流IL的溫度變化曲線如圖11 所示。

對(duì)比增加補(bǔ)償電路前的增益溫漂（±1.3%）和增加補(bǔ)償電路后的增益溫漂（-0.4%），補(bǔ)償效果相當(dāng)理想。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照以上參數(shù)，試制出8 只增加增益補(bǔ)償電路的2,000 V 閉環(huán)霍爾電壓傳感器并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 ～表3 所示。

由表1 ～表3 數(shù)據(jù)可知，增加補(bǔ)償電路后，增益溫漂變化的最大值為-0.34%，與理論計(jì)算值（-0.4%）一致。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)設(shè)計(jì)一款增益溫漂補(bǔ)償電路將閉環(huán)霍爾電壓傳感器在-40 ～+85 ℃溫度范圍內(nèi)的增益溫漂由原來(lái)的±1.3%降低至-0.4%，補(bǔ)償效果明顯。

同時(shí)，該增益溫漂補(bǔ)償電路的補(bǔ)償單元中熱敏電阻Rn1 在全溫度范圍內(nèi)的功耗Pn1≤I2Rs1/4，電壓Vn1≤I·Rs1，功耗和電壓均可控，從而保證了熱敏電阻不會(huì)因過(guò)熱和過(guò)壓損壞，進(jìn)而保證了可靠性。

基于該增益溫漂補(bǔ)償電路的閉環(huán)式霍爾電壓傳感器全溫度范圍內(nèi)的精度可領(lǐng)先同類(lèi)傳感器0.9 個(gè)百分點(diǎn)，已應(yīng)用于能耗記錄等精密電壓監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

表1 常溫（+25 ℃）數(shù)據(jù)（單位：mA）

表2 +85 ℃數(shù)據(jù)（單位：mA）

表3 -40 ℃數(shù)據(jù)（單位mA）