浅谈霍尔电流传感器在直流电流检测中的应用及选型

【摘要】直流电流是电气测量中常见的被测量，检测方法主要有直接式和非直接式。其中直接式是利用分流器，非接触 式是利用霍尔电流传感器或直流电流互感器。相比较而言霍尔电流传感器在精度、线性度等方面具有优势，所以成为直 流电流检测领域的研究重点。文章针对霍尔传感器在直流电流检测中的应用进行分析。

【关键词】霍尔传感器；电流检测；霍尔效应

引言

随着光伏发电、风力发电等技术的发展，直流电的应用范围变得日益广泛。相应的直流电流也就成为一个重要的检测量。霍尔电流传感器在综合了分流器和直流电流互感器优点的同时，也有效避免了两者存在的缺陷，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电测量元件，且具有精度高、线性好、响应快的优点。文章简单介绍了霍尔电流传感器的工作原理及种类，重点探讨了其在直流电流检测中的应用。

一、霍尔电流传感器的分类及工作原理

1.霍尔效应

霍尔电流传感器是霍尔传感器的一种，是基于霍尔效应制造的一种磁场传感器。图１为霍尔效应的原理图。

图１中UH为霍尔电势

UH＝（RH/d）IHB

式中，RH为霍尔系数，由元件材料的性质决定，通过霍尔效应实验可获得；B为磁感应强度；d为材料厚度。

2.霍尔电流传感器的种类及工作原理

霍尔传感器的测量属于间接测量，可对各种类型的电流进行测量，从直流到几十千赫兹的交流。根据其结构可分为开环式和闭环式两种。

（1）开环式霍尔电流传感器

图２ 开环式霍尔电流传感器

通过对图2分析，可以了解到开环式霍尔电流传感器主要是由磁芯、霍尔元件和放大电路三部分构成。其中在磁芯上有一个开口气隙，霍尔元件置于气隙处。当有电流IP流过原边导体时，会在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁力线被磁芯聚集在气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，再由放大电路将该信号进行放大并输出。这一类传感器一般情况下可输出±10V左右的电压信号。为了增强传感器的电磁兼容性，传感器也可将 电压信号变换为电流信号输出。

（2）闭环式霍尔电流传感器

如图3所示，闭环式霍尔电流传感器主要是由磁芯、霍尔元件、放大电路和副边补偿绕组四部分组成。在工作过程中，放大电路接收到霍尔元件的输出并放大为电流信号提供给副边补偿绕组，副边补偿绕组会在磁芯中产生一个与原边电流产生的磁场在气隙处大小相等，方向相反的磁场，将原有磁场抵消，构成负反馈闭环控制电路。

图3 闭环式霍尔电流传感器

若在检测过程中如果副边电流太小，产生的磁场无法抵消原边磁场，则放大电路会根据情况输出更大的电流；反之，放大电路会根据情况降低输出电流，实现气隙处磁场的平衡。当原边电流发生变化时，会破坏气隙处磁场的平衡，相应地负反馈闭环控制电路会及时对副边输出电路机械能调节，使磁场快速恢复平衡。从理论上讲，磁芯的气隙处在检测过程中将始终保持零磁通状态，这就是零磁通互感器及磁平衡霍尔电流传感器名称的来由。

3.开环式和闭环式的区别

两者的区别主要是体现在检测带宽和检测精度， 闭环式的检测带宽可达到100kHz，而开环式只能够达到3kHz；开环式的检测精度通常劣于1%，而闭环式的检测精度可达到0.2%。

二、霍尔传感器在直流电流检测中的应用

通过前面关于开环式和闭环式两种传感器带宽和精度的比较，可以清晰地认识到闭环式传感器在直流电流检测中具有更为广阔的应用前景。下面以CSC5G型闭环式霍尔传感器为例分析其在直流电流检测过程中的应用。这一类型的传感器能够对800／1000／2000／3000／4000／6000A多个等级的电流进行测量。具体性能参数为：线性范围在1.5倍的额定电流；精度及线性度在±1%；失调电压<±20mV；磁滞误差<±10mV；反应时间<10μs（di/dt＝50A/μｓ）等。

1.应用过程中需要注意的问题

（1）电流传感器的穿心导体能够充满孔径，根据传感器孔径不同可合理选择铜排或铜棒等。

（2）在传感器的安装位置附近没有强磁场，诸如变压器、大电流导体等。

（3）在电磁干扰较大的环境中应尽量选择二次输出为电流信号的传感器，且电流信号尽可能大。

（4）注意与准确度有关的技术指标，如零点输出误差、基本误差、线性度误差、回差、重复性误差等。

（5）注意运行环境温度变化。由于霍尔元件是用半导体材料制成，温度变化会影响霍尔元件内阻变化， 所以在传感器设计时要针对性的设计温度补偿电路。

2.提高检测精度的方法

在实际应用过程中除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下面几个方法还可以进一步提高检测精度：

（1）原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；

（2）原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；

（3）需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，不要相差太大。

3.未来发展趋势

针对闭环式霍尔电流传感器应用过程中的不足情况，研究人员进行了针对性改进研究，相关成果有集磁极霍尔传感器、智能闭环霍尔传感器等。其中集磁极霍尔传感器是在芯片表面附着一个由高磁导率和低矫顽磁场的铁磁体制成的铁磁层，以此来提高其性能；智能闭环霍尔电流传感器则是通过利用先进的数据采集、分析系统，对传感器所处环境的环境温度及电流传感器的输出信号进行采集并上传至后台机，由后台机进行自动修正，输出更为精确的检测信号。

三、安科瑞霍尔型传感器的选型

1.概述

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制，具有响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗ganrao能力强等优点。  

2.应用场所

霍尔电流传感器控制从可再生能源系统发送到电网的能量的流量和波形。他们测量电流以帮助风车，太阳能，光伏或其他类型的装置以较大效率工作。

3.可再生能源的典型应用：

太阳能

风电

水电

燃料电池

地热发电

潮汐能

4.安科瑞霍尔传感器产品选型说明

5.安科瑞霍尔传感器应用场景示意图

四、结束语

霍尔电流传感器的结构小巧、检测精度高、相关的电气回路简单，对于推动检测系统的微型化、集成化有着积极的作用。但是在实际的应用过程中发现存在易受干扰、对工作环境和电气环境要求较高等问题，需要在相关方便深入研究，进一步提高其应用性能。

参考文献

[1] 宋苏臣，袁野．基于电流检测的霍尔传感器应用［Ｊ］．工程技术，2016，（6）.

[2] 李树成.直流电流检测中霍尔传感器的应用.

[3] 企业微电网设计与应用手册.2022.5版.