汽車(chē)應(yīng)用中的新型傳感技術(shù)探究new

1、閉環(huán)霍爾電流傳感器在車(chē)用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用 1 引 言地面車(chē)用電源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng)）的輸出電流的檢測(cè)與控 制，直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，從而會(huì)影響車(chē)輛用電負(fù)載的運(yùn)行狀況及車(chē)輛的可操作性。由于車(chē)用電源的負(fù)載常常因?yàn)檐?chē)輛復(fù)雜的使用條件而導(dǎo)致 負(fù)載變化較大，隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制，會(huì)造成電源因過(guò)載而發(fā)熱，影響其功率輸出，更嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源永久 失效。閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡(jiǎn)稱傳感器）在車(chē)用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離 測(cè)量，即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)調(diào)整處理，通過(guò)調(diào)整、設(shè)定該信號(hào)

2、并反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電 流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不在增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會(huì)因用電負(fù)載的變化而損壞。2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理1879年，美國(guó)物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來(lái)，霍爾技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入八十年代，隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件 應(yīng)用開(kāi)發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大的擴(kuò)展了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半

3、導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差即為霍爾電壓VH ，這個(gè)電壓VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過(guò)理論推算有如下等式關(guān)系： VH =（RH/d）×B×IC （1） 式中：VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。上式中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過(guò)測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。 2.2閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏

4、感元件用于隔離檢 測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式的（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁 場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線形關(guān) 系，因此可利用霍爾器件的測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大小，即： I B VH （2）式中：I為通過(guò)導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)B中產(chǎn)生 的霍爾電壓。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)VH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多

5、種電路，但總體來(lái)講可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為開(kāi)環(huán) （或稱直測(cè)式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類(lèi)為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。針對(duì)霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接信號(hào)放 大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、 成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度、線性度較差；響應(yīng)時(shí)間較慢；溫度漂移較大。為了克服開(kāi)環(huán)傳感器存在的不足，八十年代末期，國(guó)外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。 1989年，北京七O一廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制、生產(chǎn)。經(jīng)

6、過(guò)十幾年的努力，這種傳感器在國(guó)內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即有如下等式： N×IN= n×IM （3） 式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。 由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝 數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)量。3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能閉環(huán)霍爾電

7、流傳感器是近十年來(lái)出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能要大大的優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測(cè)量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)： 1) 可以同時(shí)測(cè)量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2) 副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2KV12KV； 3) 電流測(cè)量范圍寬，可測(cè)量額定1mA50KA電流； 4) 跟蹤速度di/dt：高于50A/us； 5) 線性度：優(yōu)于0.1% IN； 6) 響應(yīng)時(shí)間：小于1us； 7)頻率響應(yīng)：0100KHz。 4 傳感器在車(chē)用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功的應(yīng)用于各

8、種電源、逆變焊機(jī)、發(fā)電及輸變電設(shè)備、電氣傳動(dòng)、數(shù)控機(jī)床、軍用裝備等工業(yè)及軍用產(chǎn)品上。下面以額定電流為300A的CHB-300S型霍爾電流傳感器為例說(shuō)明這種傳感器的應(yīng)用。 表1 CHB-300S型霍爾傳感器的主要性能參數(shù)  符  號(hào)名  稱參  數(shù) 型  號(hào)CHB-300SIN額定電流300A（RMS）IP測(cè)量范圍0500AIM輸出電流150mA對(duì)應(yīng)原邊300AX精度（Ta=25）IN的±0.5% KN匝  比1：2000L線性度< 0.1%  di/dt> 50A/ µSIoff失調(diào)

9、電流±0.3mA（典型）Tr反應(yīng)時(shí)間1µSVc電源電壓Vc（±5%）Ic耗  電28mA + IMCHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器的額定電流為300A， 輸出電流為150mA，表1給出了CHB-300S型傳感器的主要性能參數(shù)。某型地面車(chē)輛裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，在該車(chē)輛發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選用了CHB-300S型 閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測(cè)部件，傳感器的主要作用是隔離檢測(cè)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，通過(guò)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系 統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-300S的應(yīng)用，很好的實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。通過(guò)設(shè)置傳感器C