0引言
电流检测在电动汽车的控制、保护、监测、动力管理等方面有着重要的应用。例如:电机驱动控制、变频控制、过载保护、电池荷电状态监测等。但在电流测量中存在2个困难:1)测量仪表不方便直接串入电路中;2)电流检测电路与被测电路不能直接耦合,否则,会影响被测电路的直流工作点。霍尔传感器由于具有体积小、功耗低、噪声小、隔离效果好等点,在电流监测方面受到广泛的青睐。特别是霍尔传感器配合磁环的设计直被广泛地使用。但由于传统的霍尔传感器的灵敏度比较低,输出信号有偏置电压和噪声,对于处理电路要求高,系统成本高。传统的霍尔传感器如果使用不当,它的霍尔电压UH与磁感应强度B为非线性关系,且存在不平衡电压UHe,严重影响检测系统的精度。通常采用集磁环来提高霍尔传感器的灵敏度,但是集磁环和霍尔传感器是分离的,体积庞大,不便于在实际检测系统中应用。基于霍尔效应的磁集极霍尔传感器,很大程度上提高了电流检测的灵敏度,而且处理电路简单,安装方便,线性度好,具有较高的准确度。
1传统霍尔传感器基本原理及其应用
1.1霍尔效应
霍尔元件应用的基本原理是霍尔效应,如图1所示。
图1霍尔效应原理图
在Y轴方向上(垂直于导体或者半导体薄片)通磁感应强度为B的磁场,同时在X轴方向通电流IH,则半导体薄片在Z轴上将产生个微小电压UH。这种现象即称为霍尔效应。UH称为霍尔电势,其大小可表示为：
UH=(RH/d)·IH·B （1）
式中RH为霍尔系数,由半导体材料的性质决定;d为半导体材料的厚度。
设RH/d=K,则式(1)可写为UH=K·IH·B （2）
可见霍尔电压与控制电流及磁感应强度的乘积呈正比,K称为乘积灵敏度。K值越大,灵敏度就越高;元件厚度越小,输出电压也越大。式(2)中,若控制电流IH为常数,磁感应强度B与被测电流呈正比,就可以做成霍尔电流传感器;另外,若仍固定IH为常数,B与被测电压呈正比,又可制成霍尔电压传感器
1.2传统霍尔传感器的应用
由于传统霍尔传感器的灵敏度比较低,所以,在使用时般都要增加集磁环来增加穿过霍尔传感器的磁通并使磁通垂直穿过霍尔传感器,如图2所示。
图2磁环原理图
该磁环有个很小的开口,将霍尔传感器插入其中,使磁通垂直于传感器。这便形成了霍尔传感器测量电流的基本结构。但由于霍尔传感器般由半导体材料制成,对温度比较敏感,而且输出电压也很低(为毫伏级),所以,还需要温度补偿部分和电压放大部分才能比较准确地对电流进行测量。除此之外,霍尔传感器的较高频率和线性范围也困扰着电流检测的精度。为了解决这些问题,研究人员做了很多工作去弥补这些缺点,较为有效的技术包括开环、闭环和开闭环混合霍尔效应技术。
1.2.1开环霍尔传感器
开环霍尔传感器可以测量直流、交流和混合电流,结构如图3所示。
图3开环霍尔传感器
开环霍尔传感器的点是结构简单,成本低,功耗低,低插入损耗。但其缺点也很明显,例如:高频电流下,磁芯发热将磁芯损耗;带宽交窄;高点和增益漂移;低线性度和精度。
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