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摘 要：本文介绍闭环霍尔电撒播感器的工作原理及在地面车用电源系统中的运用，实现了对车用电源系统输出电流的隔离丈、控制，解决了地面车辆的年夜功率发电系统的限流庇护问题。
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，直接决议了电源系统工作的稳定性和靠得住性，从而会影响车辆用电负载的运行状态及车辆的可操作性。由于车用电源的负载经常由于车辆复杂的使用条件而致使负载变化较年夜，随之电源的输出功率也将发生较年夜变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载而发烧，影响其功率输出，更严重情况下会致使电源失效。
闭环霍尔电撒播感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的运用，实现了对电源系统输出电流的隔离丈，即传感器的输出旌旗灯号与电源的输出电流电气隔离，有益于传感器输出旌旗灯号调整处置，经由过程调整、设定该旌旗灯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，庇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运用于工控制的各个领域。进进八十年月，随着元器件工艺技术的成长，霍尔器件的性能年夜年夜提高，由霍尔器件运用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有很年夜提高，出格是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，年夜年夜的扩大了该项技术的运用领域。
2.1 霍尔效应及霍尔器件
霍尔效应是霍尔技术运用的理论根蒂根基，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，使半导体两侧发生电势差，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，经过理论推算有以下等式关系：
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，若连结控制电流IC不变，在一定条件下，可经由过程丈霍尔电压推算出磁感应强度的年夜小，由此建立了磁场与电压旌旗灯号的联系。凭据这一关系式，人们研制了用于丈磁场的半导体器件，即霍尔器件。
2.2闭环霍尔电撒播感器的工作原理
闭环霍尔电撒播感器是哄骗霍尔器件为焦点敏感元件用于隔离检测电流的模块化产物，它的工作原理是霍尔磁平衡式的（或称霍尔磁抵偿式、霍尔零磁通式）。众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围发生磁场，磁场的年夜小与流过导线的电流年夜小成正比，这一磁场可以经由过程软磁材料来聚集，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旌旗灯号有秀的线形关系，是以可哄骗霍尔器件的测得的输出旌旗灯号，直接反应出导线中的电流年夜小，即：
I ∝ B ∝ VH （2）
式中：I为经由过程导线中的电流；B为导线通电流后发生的磁感应强度；VH为霍尔器件在磁场B中发生的霍尔电压。被选择适当的比例系数，上述关系可以暗示为等式。对于霍尔输出电压旌旗灯号VH的处置，人们设计了许多种电路，但整体来说可分为两类，一类为开环（或称直测式、直检式）霍尔电撒播感器；另外一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电撒播感器。
针对霍尔传感器的电路形式而言，人们容易想到的是将霍尔元件的输出电压用运算放年夜器直接旌旗灯号放年夜，获得所需要的旌旗灯号电压，由此电压值来标定原边被测电流年夜小，这类形式的霍尔传感器凡是称为开环霍尔电撒播感器。开环霍尔传感器的点是电路形式简单、成底细对较低；其错误谬误是精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较年夜。为了克服开环传感器存在的不足，八十年月末期，国外泛起了闭环霍尔电撒播感器。1989年，北京七O一厂引进国外技术在国内率先展开闭环霍尔电撒播感器的研制、生产。经过十几年的起劲，这类传感器在国内逐渐为广年夜用户领会和运用。
闭环霍尔电撒播感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流（IN）所发生的磁场，经由过程一个副边线圈的电流（IM）所发生的磁场进行抵偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边抵偿电流发生的磁场在磁芯中到达平衡时，即有以下等式：
N×IN= n×IM （3）
式中：IN为原边电流；N为原边线圈的匝数；IM为副边抵偿电流；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，经由过程丈副边抵偿电流IM的年夜小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离丈。
3 闭环霍尔电撒播感器的主要性能
闭环霍尔电撒播感器是近十年来泛起的高技术模块化产物，其性能要年夜年夜的于开环霍尔电撒播感器，同时与传统的分流器或互感器的电流丈方式相比亦有许多点。闭环霍尔电撒播感器主要有以下特点：
1) 可以同时丈肆意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；
2) 副边丈电流与原边被测电流之间完全电气隔离，尽缘电压通常是2KV~12KV；
3) 电流丈范围宽，可丈额定1mA~50KA电流；
4) 跟踪速度di/dt：高于50A/us；
5) 线性度：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运用
闭环霍尔电撒播感器的运用范围很广，今朝已成功的运用于各类电源、逆变焊机、发电及输变电装备、电气传动、数控机床、军用装备等工及军用产物上。下面以额定电流为300A的CHB-300S型霍尔电撒播感器为例说明这类传感器的运用。
表1 CHB-300S型霍尔传感器的主要性能参数
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符 号 |
名 称 |
参 数 |
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型 号 |
CHB-300S |
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IN |
额定电流 |
300A（RMS） |
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IP |
丈范围 |
0~500A |
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IM |
输出电流 |
150mA对应原边300A |
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X |
精度（Ta=25℃） |
IN的±0.5% |
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KN |
匝 比 |
1：2000 |
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L |
线性度 |
< 0.1% |
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di/dt |
> 50A/ µS |
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Ioff |
失调电流 |
±0.3mA（典型） |
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Tr |
反应时间 |
1µS |
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Vc |
电源电压 |
Vc（±5%） |
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Ic |
耗 电 |
28mA + IM |
CHB-300S型闭环霍尔电撒播感器的额定电流为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自力的年夜功率发电系统，在该车辆发电系统中设计选用了CHB-300S型闭环霍尔电撒播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，经由过程对传感器的输出旌旗灯号进行处置，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发机电的额定功率。闭环霍尔电撒播感器CHB-300S的运用，很好的实现了上述运用目的。经由过程设置传感器CHB-300S的输出旌旗灯号，对发机电D1的输出电流加以限制，避免泛起发机电的输出功率太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知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运用，并按相关尺度进行了实验测试，测试成效遭到家的肯定。
参 考 文 献
[1] 刘恩科、朱秉升等编，《半导体物理学》，263~268页，上海科学技术出书社，1984.
[2] 502室编，《半导体实验课本》，西北电讯工程学院，1986.
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