閉環(huán)霍爾電流傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)

武 旭， 王林森， 居 鵬,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥 230062)

0 引 言

作為世界上應(yīng)用最廣泛、應(yīng)用數(shù)量最多傳感器之一的霍爾電流傳感器，具有靈敏度高、精度高、溫度漂移小、工作壽命長(zhǎng)、可靠性、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。基于霍爾電流傳感器的以上優(yōu)點(diǎn)，考慮到一般大電流傳感器不能交直流兩用，準(zhǔn)確度等級(jí)、頻率范圍、響應(yīng)速度，也很難同時(shí)滿足核聚變領(lǐng)域的需要。本文以閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種用于核聚變領(lǐng)域的大電流霍爾傳感器電路，此傳感器可測(cè)交直流電流。測(cè)量范圍高至±30kA，輸出信號(hào)準(zhǔn)確度等級(jí)高、頻率范圍寬、響應(yīng)速度快，同時(shí)解決了在大電流情況下，晶體管的大功耗散熱和電壓等級(jí)提高影響的問(wèn)題，很好地滿足了核聚變領(lǐng)域的需要。

1 零磁通霍爾電流傳感器工作原理

1.1 霍爾效應(yīng)現(xiàn)象

具體產(chǎn)生的過(guò)程為：將通電的半導(dǎo)體材料(一般制成半導(dǎo)體薄片)放入磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向與電流方向夾角成90°(這時(shí)霍爾效應(yīng)最好)放置，這時(shí)由于導(dǎo)體中載流子受到洛倫茲力作用會(huì)發(fā)生偏移，在半導(dǎo)體薄片的兩邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，在電場(chǎng)及磁場(chǎng)力的作用下載流子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這一過(guò)程即為霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程，產(chǎn)生的電壓稱(chēng)之為霍爾電勢(shì)[2],霍爾電勢(shì)Vh為

Vh=KhIB=Rh/d×f(L/b)×IB

(1)

式中I為通過(guò)霍爾元件的電流；B為垂直霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度;Kh為霍爾材料靈敏度系數(shù)。Kh=Rh/d×f(L/b),Rh為霍爾系數(shù)；L,b,d為霍爾元件的長(zhǎng)、寬、高；f(L/b)為修正系數(shù)。

1.2 工作原理

如圖1所示為零磁通霍爾電流傳感器的工作原理。一次側(cè)的原邊電流I1在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1與二次側(cè)4邊線圈中I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)B2相平衡，從而使4個(gè)霍爾元件H始終保持零磁通的工作狀態(tài)。補(bǔ)償電流I2的產(chǎn)生方式：霍爾元件在感應(yīng)到磁場(chǎng)的不平衡后，產(chǎn)生霍爾電壓Vh，經(jīng)過(guò)比例放大和積分調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率放大電路，再由功率放大電路提供相應(yīng)占空比大小的電壓，最終形成二次側(cè)的電流I2。在整個(gè)傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，一次側(cè)和二次側(cè)的磁場(chǎng)始終保持平衡，即有N1·I1=N2·I2。

圖1 傳感器工作原理

考慮到使用的磁芯為正方形框體形狀，磁芯上不同位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度有所不同。為提高系統(tǒng)整體精度，本傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)在磁芯的互為中心對(duì)稱(chēng)的框體四邊的中點(diǎn)位置設(shè)置霍爾元件，共計(jì)4個(gè)霍爾元件，分別用來(lái)感受4點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。以這4個(gè)霍爾電壓大小的和來(lái)衡量磁場(chǎng)的不平衡量，作為系統(tǒng)的反饋量。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電流閉環(huán)傳感器系統(tǒng)分為6個(gè)部分：1)霍爾器件供電電路，由恒壓源給霍爾元件提供工作電流；2)感應(yīng)電路，一次側(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)平衡被打破，敏感元件感應(yīng)到磁場(chǎng)不平衡從而產(chǎn)生霍爾電壓Vh；3)放大電路和積分調(diào)節(jié)電路，對(duì)霍爾元件產(chǎn)生的微弱霍爾電壓信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)節(jié)；4)PWM波產(chǎn)生電路，放大后的霍爾信號(hào)與載波通過(guò)比較器比較，后產(chǎn)生三電平的PWM信號(hào)；5)功率放大電路，PWM波驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)開(kāi)通，形成一定占空比的電壓信號(hào)，加在補(bǔ)償線圈兩端從而形成反饋電流；6)反饋電路，依據(jù)磁平衡原理，利用二次側(cè)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)一次側(cè)磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使氣隙處始終處于零磁通狀態(tài)，其工作流程如圖2所示。

2.1 霍爾元件

霍爾元件是組成閉環(huán)霍爾電流傳感器的重要組成部分，本設(shè)計(jì)選用銻化銦為敏感元件材料的器件HW—302B，其采用單列直插式封裝形式。輸入采用電壓或電流兩種模式供電，最大輸入電流為20 mA，輸入、輸出阻抗為240～550 Ω，失調(diào)電壓為-7～7 mV，溫度系數(shù)為-1.8 %/℃，輸出霍爾電壓范圍為122～204 mV。由于采用電流源模式供電，引腳1,3為控制輸入端，引腳2,4為霍爾電壓輸出端，霍爾元件置于磁芯氣隙處，能最大程度地感應(yīng)垂直穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)[3]，得到穩(wěn)定的霍爾電壓。

圖2 傳感器工作流程

2.2 放大電路和積分調(diào)節(jié)電路

一次側(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)平衡被打破，敏感元件感應(yīng)到磁場(chǎng)不平衡從而產(chǎn)生微弱霍爾電壓Vh，由于電壓很小，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)，采用OPA2277高精度運(yùn)算放大器。通過(guò)改變電阻值來(lái)改變放大倍數(shù)，OPA2277的1,2引腳之間跨接電阻器組成比例放大電路，6,7引腳之間跨接電阻器和電容器組成積分調(diào)節(jié)電路。本設(shè)計(jì)電路通過(guò)調(diào)節(jié)與電容器相連的可調(diào)電阻器來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)，電路如圖3所示。

圖3 放大電路和積分調(diào)節(jié)電路

2.3 PWM波產(chǎn)生電路

設(shè)計(jì)的PWM波產(chǎn)生方式是用霍爾輸出放大信號(hào)與載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一定占空比的三電平信號(hào)。如圖4所示，為載波調(diào)節(jié)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)LF347的1,2引腳之間的可調(diào)電阻器RP3調(diào)節(jié)載波幅值，調(diào)節(jié)與6引腳相連的RP2改變載波的偏移量，引腳7輸出負(fù)載波(TRI-)，引腳8輸出正載波(TRI+)。

圖4 載波調(diào)節(jié)電路

如圖5所示，VERR與TRI+通過(guò)比較器LM393比較，比較后的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生PWM1和PWM3；VERR與TRI—通過(guò)比較器LM393比較，比較后的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生PWM2和PWM4。

圖5 PWM波產(chǎn)生電路

2.4 功率放大電路

如圖6所示為功率放大電路原理。該電路的供電電壓為正負(fù)直流電壓，其中VDC+,VDC-絕對(duì)值相等，0 V為0電位，功率放大電路采用正負(fù)向?qū)ΨQ(chēng)的設(shè)計(jì)。為了在引出位置(即二次側(cè)線圈串聯(lián)采樣電阻)輸出正向或反向的電壓；4路PWM波驅(qū)動(dòng)T1～T4，通過(guò)控制4個(gè)MOSFET的通斷來(lái)控制引出位置的電壓。具體工作原理以正向?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明：在需要產(chǎn)生正向電壓時(shí)，PWM2為高電平，MOSFET管T2一直開(kāi)通，對(duì)應(yīng)的PWM4為低電平，MOSFET管T4一直關(guān)斷。PMW1為設(shè)置好占空比的PWM波，用于控制MOSFET管T1，PMW3與PMW1為邏輯運(yùn)算與非關(guān)系，此時(shí)的MOSFET管T3的狀態(tài)對(duì)電路無(wú)影響。T1開(kāi)通時(shí)，電流方向：VDC+ →T1→T2→引出位置→0；T1關(guān)斷時(shí)，電流方向：引出位置→D1→T2→引出位置，形成續(xù)流回路；引出位置接二次側(cè)線圈，線圈電感很大，通過(guò)控制PMW1的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制二次側(cè)線圈上的補(bǔ)償電流。

圖6 功率放大電路原理

2.5 反饋電路

閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器采用磁平衡原理，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)需要通過(guò)二次側(cè)線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件在氣隙處始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)I1剛建立磁場(chǎng)，I2尚未形成時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出N1I1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大電路和積分調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換為PWM波信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率放大電路，最終形成對(duì)應(yīng)占空比大小的電壓[4]。由于補(bǔ)償回路是個(gè)線圈，通過(guò)線圈電流不會(huì)突變，因此I2逐漸上升，N2I2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償了N1I1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因此霍爾元件輸出減小，I2上升減慢。當(dāng)N2I2=N1I1時(shí)，磁場(chǎng)達(dá)到平衡，霍爾元件輸出為零，但由于線圈的影響，I2會(huì)繼續(xù)上升，平衡打破(N2I2>N1I1)，形成過(guò)補(bǔ)償，霍爾元件輸出信號(hào)會(huì)變號(hào)，輸出功率放大電路使I2減小，在這種往復(fù)的過(guò)程中，氣隙處的霍爾元件會(huì)處于平衡點(diǎn)附近振蕩[5]。

2.6 霍爾元件補(bǔ)償

由于半導(dǎo)體特性和制造工藝等原因，霍爾電流傳感器在對(duì)電流測(cè)量時(shí)總是存在一定的誤差。為進(jìn)一步提高霍爾元件的測(cè)量精度和靈敏度，往往需要對(duì)霍爾元件進(jìn)行誤差補(bǔ)償[6]，其主要包括溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償。

2.6.1 溫度補(bǔ)償

由于霍爾元件是有半導(dǎo)體元件制成，半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率、載流子的濃度都會(huì)隨溫度的變化而變化，造成測(cè)量誤差，因此需要溫度補(bǔ)償[5]。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致的內(nèi)阻變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻值進(jìn)行補(bǔ)償。

1)輸入回路補(bǔ)償法

如圖7所示，采用恒流源供電，并聯(lián)分流電阻器R，設(shè)初始溫度為T(mén)0，霍爾元件的輸入電阻值為R0，霍爾電流為I0，霍爾元件靈敏度為K0，當(dāng)溫度上升到T時(shí)，霍爾元件的輸入電阻值為R1，霍爾電流為I1，霍爾元件靈敏度為K1。則溫度在T0和T時(shí)有下式

I0=IR/(R0+R)，I1=IR/(R1+R)

(2)

K1=K0[1+α(T-T0)]，R1=R0[1+β(T-T0)]

(3)

式中 下標(biāo)0,1分別為溫度為T(mén)0和T的有關(guān)值，α為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)，β為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)。當(dāng)溫度影響帶來(lái)的測(cè)量誤差完全補(bǔ)償時(shí)，不同溫度下輸出的霍爾電壓相等[7]。

圖7 輸入回路補(bǔ)償電路

2)輸出回路補(bǔ)償法

輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐罚?dāng)溫度變化時(shí)，用熱敏電阻值Rt的變化來(lái)抵消霍爾電勢(shì)Vh和輸出電阻值R0變化對(duì)輸出電壓的影響，從而保持輸出霍爾電勢(shì)與溫度基本無(wú)關(guān)。

2.6.2 不等位電勢(shì)補(bǔ)償

不等位電勢(shì)是霍爾元件在加額定控制電流而外磁場(chǎng)為零時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)，稱(chēng)其為零位電勢(shì)[8](及零漂)。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋。輸入電極1,3和輸出電極2，4可看作電橋的電阻連接點(diǎn)，其相互之間分布電阻值R1，R2，R3，R4構(gòu)成4個(gè)橋臂，當(dāng)B=0時(shí)，理想情況下Vh=0，即4個(gè)電阻值相等。如果通入額定電流，而Vh不等于0，說(shuō)明4個(gè)電阻存在差異，需要添加平衡電橋電路[9]。如圖8所示，通過(guò)對(duì)滑動(dòng)電阻器的調(diào)節(jié)可以達(dá)到霍爾元件的電橋平衡，從而在B=0時(shí)，使輸出電壓Vh=0。

圖8 不等位補(bǔ)償電路

3 測(cè)量結(jié)果及處理

3.1 測(cè)量方法

1)選用的測(cè)試電源為高精度逆變電源，此電源可以輸出電流為正負(fù)直流、交流，輸出通過(guò)導(dǎo)線和負(fù)載相連，負(fù)載為一個(gè)大環(huán)形線圈，被測(cè)傳感器套在大環(huán)形線圈臂上(即電源輸出一個(gè)小電流用等效安匝法使電流加倍)；另外高精度逆變電源輸出導(dǎo)線上套有標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器。

2)設(shè)計(jì)傳感器電路可以采集交直流信號(hào)；板卡控制電選用直流12 V，功率放大電路供電電壓為直流±80 V。

3)將設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)輸出端與精密電阻器相連，電阻器另一端接到±80 V電源的0 V電位上。分別采集精密電阻兩端電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出電壓信號(hào)。

3.2 測(cè)量過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在一次側(cè)高精度逆變電源輸出電流為正負(fù)直流條件下測(cè)試。接通電源使傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定0.5 h，調(diào)節(jié)高精度逆變電源，使電流輸出從0 A開(kāi)始正向增加，每間隔5 kA停頓一下，等在該點(diǎn)穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達(dá)到30 kA，后退到0 A；電流從0 A開(kāi)始負(fù)向增加，每間隔-5 kA停頓一次，等在該點(diǎn)穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達(dá)到-30 kA，后退到0 A。特別需要注意讀數(shù)時(shí)必須在每個(gè)電流點(diǎn)上保持電流穩(wěn)定后讀取。

3.3 測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度等級(jí)(精度)

表1 電流測(cè)試數(shù)據(jù)

從表中可以看出：最大電流達(dá)到了±30 kA；最大相對(duì)誤差為0.44 %，出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中電流最小的點(diǎn)，且明顯有電流較小時(shí)相對(duì)誤差更大的情況。造成這種情況的原因是,零點(diǎn)漂移消除得不夠徹底，數(shù)據(jù)較小時(shí)，采集測(cè)量的零點(diǎn)漂移影響了傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)，但整體準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.5級(jí)(精度為0.5 %)。傳統(tǒng)傳感器測(cè)量范圍在±10 kA以下,即使范圍能到達(dá)±30 kA的準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)。

3.4 頻率范圍

設(shè)計(jì)電流傳感器和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出接示波器，調(diào)節(jié)高精度逆變電源使電源每次輸出交流電流為有效值40 A(大環(huán)形線圈上產(chǎn)生等效有效值約為21.3 kA的電流)，每次測(cè)試改變頻率。經(jīng)過(guò)測(cè)試，觀察待測(cè)電流傳感器的輸出信號(hào)波形，當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率為20 kHz時(shí)，設(shè)計(jì)電流傳感器采到的輸出頻率為20.08 kHz，有效值為3.52 V(探頭衰減10倍，顯示為0.352 V)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸入輸出電流基本保持相等，說(shuō)明此頻率下輸出信號(hào)的幅頻特性較好。當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率繼續(xù)增加，設(shè)計(jì)電流傳感器采到的輸出電壓有效值明顯減小，說(shuō)明傳感器跟蹤失敗，輸出信號(hào)幅頻特性變差；但比傳統(tǒng)同類(lèi)型±30 kA大電流傳感器(頻率范圍1 kHz)有很大的提高。

3.5 響應(yīng)時(shí)間

指一次側(cè)電流為高頻交流或充電機(jī)暫態(tài)放電電流時(shí)，設(shè)計(jì)電流傳感器采到電流的時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器采到電流時(shí)刻的時(shí)間差，定義為響應(yīng)時(shí)間[10]。由于本傳感器設(shè)計(jì)的頻率范圍為20kHz，所以把高精度逆變電源輸出波形頻率設(shè)為20kHz條件下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試得出一組時(shí)間差值，計(jì)算平均值得到反應(yīng)時(shí)間小于5μs。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度等級(jí)高、頻率范圍寬、響應(yīng)快的傳感器。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此電流傳感器測(cè)量范圍達(dá)到±30 kA，準(zhǔn)確度等級(jí)到達(dá)0.5級(jí)，頻率范圍到達(dá)20 kHz，反響時(shí)間小于5 μs，并解決了在大電流情況下，晶體管的大功耗散熱和電壓等級(jí)提高影響的問(wèn)題，此傳感器可以廣泛應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域。