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中国科学
技术科学
bull;文章bull; 2014年9月 Vol.57 No.9: 1877–1882
doi: 10.1007/s11431-014-5614-1
闭环霍尔效应电流传感器的
设计、优化和测量
设计并制作了一种闭环霍尔效应传感器并考虑了诸如铁芯材料，霍尔器件以及选定的集成电路等因素。通过研究电流的铁材料和结构的影响传感器，找到了一种最佳霍尔效应电流传感器。实验结果表明，所提出的闭环霍尔效果电流传感器达到1毫安/安的灵敏度。其线性度和准确度分别为0.1%和0.35%，在电流范围从0到50A。
电流传感器，优化磁芯结构，磁性能
引用：程兴国，李福安，张宗阳，闭环霍尔效应电流传感器的设计、优化和测量。中国科技科学，2014，57期：1877-1882，DOI:10.1007/s11431-014-5614-1
1引言
随着全球新能源效率标准的不断发展，有必要应用电流传感器监测和控制能源消耗。电流互感器，如分流器和Rogowski线圈（LROK）以及霍尔电流传感器，通常都用于测量电流。
简单的分流电阻测量大电流和连续电流。Filipski等人[1-4]调查分流电流的测量范围从10从10到100，频率范围从10赫兹到100赫兹，在从1毫安到10安范围内性能优良。但是，当电流高于10A，分流产生高功率耗散，导致不准确。Rogowski线圈的常用措施是宽脉冲电流和暂态电流。道格拉斯等人[5]开发的小型Rogowski线圈传感器测量并监测脉冲功率。休森等人[6-10]用Rogowski线圈传感器快速切换的测量具有良好的特性，如非饱和，隔离，良好的线性度和灵活性。然而，电磁干扰因素造成大测量误差是Rogowski线圈实际应用的主要障碍。此外，使用Rogowski线圈和电子设备需要电磁屏蔽[6]。
交流电流互感器（ACCTS）和直流电流变压器（DCCTS）常用于测量、控制以及限制电力系统中的电流流动，是因为其高可靠性、高信噪比，良好的共模抑制，高带宽和低功率损耗。然而，CTs的缺点是成本高、体积大、和非完整性[11-16]。
在这项研究中，霍尔效应电流传感器的设计采用的材料、结构和电子元件试图在精度、尺寸、灵敏度、稳定性、线性度、零点温度漂移和成本方面取得一个平衡。霍尔电流传感器的精度与许多因素有关，如线性度、重复性、迟滞、零点温度漂移以及输入偏置电流。
2基本原理
闭环霍尔电流传感器是基于霍尔效应的原理，它描述的是磁场和感应电压之间的关系[24]。当电流穿过导体或半导体垂直的外部磁场，两端面垂直于电流方向与外部磁场磁场方向产生一个电位差。这一基本原理应用于闭环霍尔电流传感器如图1所示，I是电流源，B为磁通密度，还有UH就是霍尔电压，它们之间的关系可以表示为：
UH = KH times; I times; B = RH times; I times; B/d, (1)
KH是霍尔元件的灵敏度，RH是所用材料霍尔系数，D为导体厚度。
图1. 磁补偿式霍尔电流传感器的基本原理
3霍尔电流传感器的设计
3.1铁芯材料的选择
对于霍尔电流传感器的最优核心材料是基于磁导率，精度以及电流传感器的大小[13,17,25]。获得优化设计必须保持三个因素的平衡。铁芯材料的选择需要足够高的初磁导率、高精度和低矫磁力。由于采用霍尔效应测量电流，其大小和成本必须考虑。铁芯的几何形状的设计上以一个最佳的磁通集中器为评估工具并且尽可能减少铁芯尺寸。
坡莫合金是一种高磁性铁镍合金可渗透在弱磁场。坡莫合金可分为四大类：35%–40%、45%–50%，50%–65%、81%和70%–Ni-Fe合金。基于磁材料的性能，70%–81%镍铁合金有最高的渗透率（mu;= 300000到55000），最低矫磁力、狭窄的磁滞回线以及高饱和度由于较低的磁晶各向异性和磁致伸缩常数[18]。一般来说，一个铁芯有一个环形或矩形的形状，其大小可以根据需要确定。铁芯固定线轴，现有的空气间隙，这样的装配和制造需要选择一个矩形铁芯[ 19 ]。坡莫合金具有低损耗、高磁通密度和广泛频率。每片坡莫合金的厚度从0.25到0.35毫米的范围。纸张堆叠维持最低的损耗和高灵敏度。
3.2层压钢板的数量
我们考虑钢片绝缘漆受电流注入母线的影响下空气中磁通密度间隙的变化。
图2显示的是磁场磁通密度和硅钢片数之间的关系。从这个数据可以看出，磁通密度气隙增加钢板数量少的时候不到四。然而，当叠层钢板数超过四逐渐的磁通密度增长缓慢。恒磁通密度产生一定的电流与气隙位置。尺寸所需的磁电路也能得到[19]。实际应用需要六层钢芯。霍尔元件是测量磁通量的核心。所需的最小间隙大于厚度霍尔元件的截面尺寸，并对磁芯间隙长度至少两次。这些特点保证了霍尔元件的刺激磁芯的磁通密度。高度HW302B 2.35plusmn;0.1毫米，而厚度的薄片钢材约0.4毫米。磁核心的长度和宽度分别是4毫米和2.4毫米。磁核心需要六块薄钢板叠在一起的来确保霍尔元件的工作。
图2. 用绝缘聚合物涂料涂覆的钢板在空气间隙磁通密度所受影响
3.3气隙宽度的影响
对空气间隙宽度（1.1至3毫米）进行研究得到结构优化。对气隙大小和磁感应强度之间的关系也进行了研究。
图3显示了空气间隙和磁感应强度的关系。它清楚地显示了磁性随着空气间隙的减小，感应强度增大。当气隙宽度增大，在气隙的磁通密度增减小[19,24]。该数字还显示测量数据与分析的小不同。这种差异主要归因于忽视模拟中的漏磁效应。虽然仿真结果低于计算结果，他们表现出同样的趋势。理论分析与仿真结果相符合。
霍尔元件的厚度为0.95毫米hw302b，和最小间隙必须大于1毫米，以保证该霍尔元件可以由磁性激发核心。此外，霍尔元件被放置在一个骨架中获得一个固定的位置，这导致在空气间隙大小大于1.2毫米。在实际应用中，约1.5，1.2毫米是适当的空气间隙大小，在一个主电流小于100。
图3. 气隙尺寸和磁感应强度的关系
3.4霍尔装置选择
典型地，垂直的圆筒状的霍尔器件磁场围绕一个主电流[20，22]。霍尔装置在霍尔效应电流传感器中使用时，将信号转换成电流信号。使用适当的霍尔装置电流传感器的性能得到明确改善。一般情况下，一个霍尔设备形成一个板装有三个或四个触点，如图4所示。接触对1和3是控制输入，而接触对2和4是霍尔电压输出。
霍尔器件是在硅表面制造的集成电路（IC）技术在芯片中的适用。在霍尔效应电流中使用了一个能测量磁场到芯片表面的垂直霍尔器件。鉴于霍尔器件是半导体材料和集成电路[23]，该设备展现了良好性能，如低噪声、低偏移、高稳定性，不受周围环境的影响。HW-302B作为霍尔电流传感器的重要组成部分是因为其高灵敏度并封装，输出的霍尔电压 图4.霍尔设备的结构 范围从122至204V，输出阻抗的范围从240到550Omega;，失调电压从-7到7mV。温度系数为1.8% /°C. HW-302B在恒定的温度下性能优良。
3．5线匝
霍尔效应电流传感器的设计受负载电阻影响。例如，频率响应带宽为100 kHz，初级电流IPN（初级公称或有效值 电流）是50，一次匝数是一，二级电压（E）为5伏，负载电阻测量电阻RM和阻力内部线圈是R，因此，电流输出
的补偿电子表示为：
霍尔效应电流次级匝数传感器计算如下：
E：最大次级电压,Rm：电阻器，r:内部线圈电阻，Ns：二次匝数，Is：二次电流或输出电压，NP：主变数量，IP：输入电流。
二次线圈含有铜与镍、铜合金和聚氨酯。为了提高电流传感器的性能，使用扁平的漆包线[24]。横截面面积计算如下：
A= atimes;b =1.2 mm2 (4)
所需的二次线圈匝绕组面积：
K是一个电线和绕组空间因素之间的函数，而且其值是0.23。
3．6集成电路
集成电路包含一个模拟器，放大器，检测器，低通有源滤波器和补偿电路。使用闭环霍尔效应电流传感器的好处包括良好的精度和线性度，低增益漂移，宽的带宽和快速响应时间。图5显示了闭环电流传感器电路原理图。负载电阻是衡量一次电流的重要范围。例如，在25°C的环境温度下测量到主电流为50A，激励电压Vc为plusmn;12V，测量电压为5V和0V，这是通过实验测试得到的。根据的公式（1）和（2），负载电阻导致最大的RM为：
当主电流小于50A，电阻为100Omega;测量是准确度。下降电压影响各电路元件的输出电压。
图6显示了所提出的实际电路闭环霍尔电流传感器，其中K1是霍尔元而J1、J2和J3三端口连接到周边。J1、J2和J3连接到负载电阻（100Omega;），分别是-12 V（负电源）和 12 V（正电源）。
图5. 闭环霍尔效应电流传感器的集成电路
图6. 闭环霍尔效应电流传感器的实际电路
3．7组装
图7显示了霍尔效应电流的配置传感器，包括铁芯、绕线、霍尔器件，拧紧螺钉，印刷电路板（PCB），以及顶底盖。铁芯有一个1.2毫米的缝隙，是由一个叠合的叠层上使用紧固螺钉在PCB上，一个复杂的形架作为支架，且通过相对固定在接触面上的方式保证铁芯的旁边是空气间隙。当线轴放置在堆栈上的片材附近的空气间隙时一部分堆栈是弯曲的平面。此后，它便弯曲。
图7. 闭环霍尔效应电流传感器的装配
4实验和测量
所有电子产品在进入市场必须在25°C下校准。在室温下测量的样品被封装在一个塑料包内。测量包括平均线性度，准确度，灵敏度和响应时间。
图8显示了对于提供样品的电流范围从0到50A输入和输出之间的关系。输入信号被绘制在水平轴上而输出信号在垂直轴上。这个实验结果表明，该传感器具有线性度误差为0.1%、零漂接近零。该传感器的灵敏度为1mA/A为一个电流范围从0到50 A的准确率的样品是0.24%，0.33%，0.25%，和0.21%，这表明样品在准确度和线性度方面超过同类型的产品（瑞士）。
图8. 不同样品的输出电流与输入电流的曲线
电流传感器的输出特性评价如下。一个恒定的电压（12伏）被施加到集成电路中。图9显示了不同传感器的输出电压温度点。从-25°C到 85°C的测量样品显示的零输出的传感器小于0.16 mA。与其他电流传感器相比，其热零点漂移非常低。图10描述的输出不同的电流变化对输入电流的变化温度。可以看出，输出电流几乎是独立工作温度。它表示展示的电流传感器具有低的热灵敏度漂移在大电流测量范围。传感器表现出稳定具有良好的线性度和准确度的输出电流。更详细的性能参数列于表1。
图9. 四个样品在不同温度下的零漂
图10. 不同温度下传感器的输出特性
表1. 室温下电流传感器样品的性能特点（电源电压为12V）
5结论
本文提出了一种霍尔效应电流传感器适当的设计细节。我们考虑几个因素，如磁性芯材、霍尔器件、电线圈，集成电路，组装工艺。如结果所示，建议霍尔效应电流传感器执行明显优于传统的霍尔效应电流传感器。所提出的线性度和精度误差霍尔效应电流传感器分别为0.1%和0.35%，电流范围从0到50A。
这项工作得到了国家基本研究计划的支持（“973”项目）（批准号：2011cb309504），和国家重点半导体设备项目（02）（批准号：2009zx02037）。
1 Filipski P S, Boecker M. AC-DC current shunts and system for extended current and frequency ranges. IEEE T Instrum Meas, 2006, 5:1222–1227
2 Filipski P S. 20-A to 100-A AC-DC coaxial current shunts for 100kHz frequency range. IEEE T Instrum Meas, 2006
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