無鐵芯霍爾芯片檢測穩態瞬態電流方法?

岳海波 武 瑾 莊勁武 袁志方 劉路輝

（1.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）（2.艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室（海軍工程大學） 武漢 430033）

1 引言

隨著電動汽車的快速發展，其電力系統［1～3］在運行的過程中，遇到了如下瓶頸難題：正常工況下，百米加速可在3s 內完成，使得其加速階段的電流可高達600A 乃至800A，脈寬數秒。故障工況下，當動力電池處于低SOC低溫度狀態時，短路電流峰值最小僅為數kA。兩種工況之間極小的電流差異，傳統熔斷器無法兼顧高過載電流沖擊和低短路故障電流快速保護的需求，而需要使用一種帶電子測控裝置的智能熔斷器進行短路保護，該電子測控裝置就需要電流傳感器進行電流測量［4～8］。

目前研究和應用較多的直流大電流檢測方法主要有分流器［9～10］，開環、閉環霍爾傳感器［11～13］。然而，分流器用于直流大電流檢測與控制時，存在體積大，功耗高、缺少電氣隔離等問題。開環，閉環霍爾電流傳感器鐵芯易飽和，不能準確反映瞬間變化的短路大電流，體積較大，造價高。二者均不適用于混合型熔斷器這種空間有限且需要控制造價的應用場合，因此必須研制新的電流傳感器以滿足混合型限流熔斷器對電流測控的要求［14～15］。

本文提出使用單個霍爾芯片直接測量被測電流在空氣中產生的磁感應強度的方案，由于大電流時銅排周邊能對傳感器形成大干擾的可能性較小，可以考慮用固定在特殊位置上的單一芯片替代一整圈鐵芯的方法設計出主要用于短路保護的大電流霍爾傳感器。霍爾元件輸出特性僅與導體電流的大小保持線性關系，當導體通以穩態電流或其它任意瞬態電流，可使得霍爾元件檢測到的磁感應強度大小僅與導體電流的幅值相關與電流瞬態特性不相關，據此本文通過在銅排周圍特定位置布置單霍爾芯片來檢測穩態瞬態電流，一方面可以使傳感器的量程達到數十kA，帶寬達到幾百kHz，可以測量故障時的瞬時大電流。另一方面，因為傳感器沒有鐵芯所以可以做到只有手掌大小，且重量不大于300g，而且霍爾元件本身已經很成熟，價格比較低廉。單個霍爾芯片不含鐵芯，所以傳感器的量程、帶寬等特性只和霍爾元件本身的特性有關，而不會受到鐵芯直流偏磁、磁滯效應、鐵芯易飽和等鐵芯固有性質的制約。研究可為電流檢測器件的大量程測量和小型化提供借鑒。

2 混合型熔斷器工作原理

混合型限流熔斷器是將高速開斷器和限流熔斷器相結合的一種電力系統限流保護裝置，是當前應用最廣泛的限流保護技術［16～18］。

混合型限流熔斷器組成如圖1 所示，主要有觸發器、火藥開斷器和滅弧熔斷器等構成。正常工作時電流主要由高速開斷器承擔，通態損耗低。電子測控單元通過電流傳感器檢測到短路電流，發出點火信號，引爆高速開斷器內的炸藥，開斷器迅速斷開，迫使短路電流轉移到并聯的滅弧熔斷器上，滅弧熔斷器迅速熔斷，從而徹底切斷短路電流。

圖1 混合型限流熔斷器結構示意圖

3 霍爾傳感器檢測原理

霍爾電流傳感器中采用了霍爾效應的元件，其中霍爾元件的核心是一塊半導體薄片，如圖2 所示。

圖2 霍爾效應原理圖

在半導體薄片兩端通以恒定工作電流I，當薄片的垂直方向施加磁感應強度為B 的磁場時，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電壓差為UH的霍爾電壓，它們之間的關系為

式中：RH為霍爾常數，m3·C-1；I為控制電流，A；B為磁感應強度，T；d為霍爾元件厚度，m。

由式（1）可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B。

本文采用線性霍爾元件A1324，無磁場時輸出2.5V，有正向磁場時輸出2.5V～4.8V之間的電壓，有反向磁場時輸出2.5V～0.2V 之間的電壓。A1324靈敏度為5mV/Gs。可測量磁感應強度范圍±460Gs。為便于工程應用，將上述半導體薄片集成到一個霍爾元件的封裝內。

4 單霍爾芯片設計原理

本文設計的無鐵芯霍爾電流傳感器檢測導體穩態瞬態電流的方法，主要適用于截面為正方形、矩形、橢圓形或其他非圓形形狀的導體中電流的檢測，當導體截面為非圓形截面時，所述導體四周的磁力線分布將隨導體電流特性的變化而變化。

4.1 短路電流幅值判斷的設計原理

如圖3和圖4所示，圖（a）、（c）為通入穩態電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖；圖（b）、（d）為通入瞬態電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖。從圖中可以發現，直流電作用下，銅排截面上的電流均勻分布，變化電流作用下，由于感應渦流的存在，電流密度分布將呈現不均勻現象。銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，內表面和中心部分電流密度較小，磁感應強度主要分布在導體外表面上。這主要是因為導體加載變化電流產生了集膚效應，導致電流趨于導體表面分布。由于集膚效應的存在，導致中心部分電流密度小，電流主要分布在四個邊角上。在通過的穩態和瞬態電流相同幅值時，霍爾元件所在位置的磁感應強度將有明顯差異。對于銅排寬厚比確定的銅排來說，其周圍某一固定點的磁感應強度與通過所述銅排的電流大小成對應關系，在設定磁感應強度下，其對應的銅排上通過的電流是確定的。因此可以確定該特定空間位置。

圖3 幅值10kA電流下銅排電流密度分布圖

圖4 幅值10kA電流下銅排磁感應強度等值線分布圖

圖5 幅值10kA電流下穩/瞬態交點位置

4.2 霍爾位置確定

由于銅排的寬厚比為100mm/10mm，網格剖分需要很細，計算量很大，如果選擇三維模型進行仿真，會出現網格剖分失敗的現象。因此選擇二維模型進行仿真分析，仿真模型涉及的電磁場問題可由Maxwell 方程微分形式和相應的本構方程進行描述，基本方程如下：

式中，H為磁場強度，A/mB為磁通密度，T；J是電流密度，A/m2；E為電場強度，V/m；μ為磁導率，H/m；σ為電導率，S/m。

4.3 穩瞬態交點位置

通以穩態和瞬態電流（本文以15A/μs 上升率電流為例）相同幅值時，由仿真結果可知霍爾元件所在位置的磁感應強度將有明顯差異，那么需要找到一個合適的位置，使該處的磁感應強度僅隨電流幅值大小線性變化。線性霍爾元件A1324 最大可測量的磁感應強度為±460G。設計電流傳感器最大量程為10kA，電流幅值在10kA 的條件下，尋找穩態和瞬態通流下磁感應強度為460Gs 的位置。也就是說銅排通以10kA 瞬態或穩態電流時，所述霍爾元件在交點處特定位置的磁感應強度為460G。兩條曲線交點坐標為（45，18）。

霍爾元件固定在混合型限流熔斷器的銅排上，固定位置為銅排邊緣偏內側5mm，距離銅排表面13mm的高度，安裝位置如圖6所示。

圖6 霍爾芯片安裝位置圖

圖7 穩態試驗現場圖

5 實驗驗證

5.1 變比的確定

給矩形銅排通入穩態電流，記錄通流前后霍爾電壓變化，以此計算出單霍爾芯片電壓/電流的變比。

把試品接入直流穩壓穩流電源電纜上。為避免實驗過程中霍爾元件位置發生偏移，實驗中樣品連接線保持不動。為確保測量的準確性，實驗中通過反接電流輸入輸出端，達到正/反向通流，記錄霍爾輸出變化量。

表1 穩態通流下霍爾輸出電壓

由霍爾測量電流原理得，霍爾電壓輸出差值與電流成正比，因此可以計算出，此處霍爾芯片電壓/電流的變比為1V：5604A。

5.2 瞬態實驗

圖8 所示為本文使用的瞬態實驗測試平臺，使用蓄電池組或大電容供電，回路中串接電感以及安置好位置的霍爾元件試品，所有信號和圖像均輸出到計算機。其中電流信號通過羅氏線圈監測，目的是為了檢測放電回路真實電流，為霍爾元件經過變比得到的電流提供比較依據。為得到15A/μs 上升率的電流，選用電感為53μH，給電容預充電壓為800V。

圖8 瞬態實驗電路圖

將在穩態實驗得到的兩組不同位置電壓電流靜態變比1V：5604A 代入Matlab 中繪制波形，得到在15A/μs 瞬態電流情況下，霍爾檢測到的電流數據如圖9。

圖9 單霍爾芯片檢測瞬態電流示意圖

從試驗結果來看，經穩態實驗得到的變比帶入霍爾檢測的瞬態電流中得到的電流，與羅氏線圈檢測的電流結果誤差僅在3%，在誤差要求范圍內，同時驗證了單霍爾芯片檢測穩態和瞬態電流方法的正確性。無論通過的電流為瞬態或穩態，只要電流幅值未超過設定電流時，所述霍爾傳感器可準確檢測出此時的電流大小。

6 結語

本文針對混合型限流熔斷器中電流傳感器造價高，體積大，檢測電流量程小等問題。提出了單霍爾芯片方案。從原理上分析非圓形導體在通以穩態和瞬態電流下磁場變化的變化規律。通過建立有限元仿真模型找到了穩態和瞬態情況下霍爾元件電流檢測準確的安裝位置，得到了以下結論。

1）對于寬厚比確定的銅排，其外部磁場任何一點，穩態通流下，該處的磁感應強度大小與電流大小成線性比例關系。

2）在通過的穩態和瞬態電流相同幅值時，霍爾元件所在位置的磁感應強度將有明顯差的原因是：導體加載變化電流產生了集膚效應，銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，導致瞬態情況下磁場分布發生了變化。

3）進行了穩態和瞬態實驗，試驗與仿真結果一致，單霍爾芯片測量結果與羅氏線圈測試結果誤差僅為3%，有效說明了方案的可行性。