基于闭环霍尔效应的电流传感器设计

赖俊驹，彭浩，胡金磊，黄石华，王文博

（1. 广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511515；2. 上海启亦电子科技有限公司，上海 201499）

0 引言

随着目前电力设备内部集成化水平的不断提高，电力设备内部布线的空间越发狭小，在电工技术领域进行电流测量时，需要准确、快速地实现电流测量，这对相关传感器的设计提出了更高的要求[1-2]。磁传感器广泛应用于电力系统的电流测量中，从设计原理上可分为Rogowski线圈[3]、巨磁阻效应[4]、隧道效应[5]、光学效应[6]、霍尔效应[7]等。基于霍尔效应的电流传感器是目前使用较为广泛的一种电流传感器，不少科研单位都进行了霍尔电流传感器的设计[8-10]。由于开环式霍尔电流传感器具有结构简单、体积小等优点，在实际工程中广泛应用的霍尔电流传感器大多采用开环霍尔原理[11-12]。但开环霍尔原理为了防止磁芯饱和存在着气隙较大，漏磁大的问题，在测量小电流信号时精度较低且受到温飘影响较大，不利于电流精确测量。而闭环霍尔原理采用零磁通的原理，气隙较小，漏磁少，可以实现较高的精度、线性度，因此，可考虑根据闭环霍尔原理进行电流传感器的设计[13]。

本文采用霍尔原理进行了电流传感器的设计，对关键器件进行了优化选型，根据所需电流量程确定了电路参数，并采用数字控制器实现了对霍尔器件的调零。试验证明本文设计的电流传感器具有较高的测量精度，且小电流信号时仍能保证较小的相对误差，具有较好的使用价值。

1 基于霍尔效应的电流传感器设计原理

霍尔原理是一种定义了磁场与感应电压之间物理关系的电磁效应。霍尔效应的物理原理图如图1所示，当电流I流过施加外磁场B的半导体或导体时，由于洛伦兹力的作用造成半导体空穴载流子发生偏转，在电场与磁场之间叠加一个附加电场，从而在半导体两端产生一个电势差，即霍尔电压。

图1 霍尔效应原理图Fig.1 Schematic diagram of the Hall effect

霍尔电压反映了磁场与感应电压的比例关系，其表达式如式(1)所示：

其中，I为通过霍尔材料的电流大小，B为外施磁场强度，d为霍尔材料的厚度，RH为材料的霍尔系数，与其自身性能有关。

目前根据霍尔效应测电流通常有开环式霍尔电流传感器与闭环式霍尔电流传感器两种。开环霍尔传感器采用放置在磁芯气隙中的霍尔元件将被测电流产生的磁信号转换为电信号，其中磁芯通常采用坡莫合金等磁导率较大的软磁材料制成。之后再通过信号处理电路将霍尔元件转换的微弱电信号放大滤波，再经过相关数字电路后测出被测电流。开环霍尔传感器的基本工作原理如图2所示。

图2 开环霍尔电流传感器原理图Fig.2 Schematic diagram of open-loop Hall current sensor

由于受到铁芯材料非线性的影响，开环霍尔电流传感器在实际运行中具有温漂大、精度不高、线性度差的缺陷。闭环霍尔电流传感器采用零磁通原理对以上缺陷进行优化，该原理所采用的气隙较小，漏磁少，可以实现较高的精度、线性度以及被测信号与测量信号之间良好的电气绝缘。

图3 闭环霍尔电流传感器原理图Fig.3 Schematic diagram of closed-loop Hall current sensor

图3为闭环霍尔电流传感器的原理图。相较于开环霍尔电流传感器，闭环霍尔传感器通过霍尔元件将磁信号转换为电信号的原理基本一致，较大地区别是其增加了一个补偿线圈的反馈。

闭环霍尔传感器计算电流的基本原理如下：R1、R2左端为霍尔传感器差分信号输出端，霍尔元件产生的电信号经过高速运算放大器处理后输出一个补偿电流，该电流通过补偿反馈线圈产生一个与载流导体产生的磁场相反的磁场，该磁场会导致霍尔元件的输出逐渐减小，直到补偿电流产生的磁场与载流导体的磁场达到磁平衡状态，此时通过霍尔传感器磁通为零磁通状态。运算放大电路部分采用PI放大器的结构可以理论上消除误差，做到无静差控制。当电路稳态后，电流传感器的磁路也能实现磁平衡，此时初次级线圈满足：

其中Np为原边线圈匝数，为原边线圈的电流，Ns为补偿线圈的匝数，Is为补偿线圈的电流。通过检测补偿线圈的电流反映载流导体的电流，补偿线圈的电流通过测量采样电阻Rm上的电压Vo计算求得，则待测电流可表示为

2 闭环霍尔电流传感器的设计

在整个闭环霍尔电流传感器的设计部分中，其电流测量部分主要包括铁磁材料、霍尔元件、放大电路、反馈线圈四个部分。通过电流测量部分测得待测电流的大小后再通过相关数字电路与控制电路实现测量结果的显示。闭环霍尔电流传感器的电路逻辑图如图4所示，本文将针对电流测量电路的各部分设计进行相应阐述。

图4 闭环霍尔电流传感器电路逻辑图Fig.4 Circuit logic diagram of closed-loop Hall current sensor

2.1 铁芯材料的选择

在霍尔电流传感器的设计中，铁芯材料通常需要具有较好的聚磁能力，尽可能避免漏磁带来的影响，提高测量装置的线性测量能力。目前应用较广泛的铁芯材料包括硅钢片、坡莫合金、非晶合金与铁氧体等。坡莫合金是一种以铁和镍为基本材料，通过添加少量其它元素来提高材料的硬度与电阻率。本文选用Ni81Fe29坡莫合金作为铁芯材料，该合金的磁致伸缩与各相异性磁晶体都比较低，因此具有较优的初始磁导率与最大磁导率，且矫顽力也很低。在铁芯材料的制备中，采用低温退火的方式优化材料性能，并通过磁控溅射的方式在坡莫合金表面镀上一层Al2O3氧化膜，用于提高材料的磁阻并提高材料的抗腐蚀能力。经过相应设计，本文所设计的聚磁铁芯结构如图5所示。

图5 聚磁铁芯的设计Fig.5 Design of the polymagnetic core

2.2 霍尔元件的选择

霍尔元件是一种可由硅、砷化镓、锑化铟等半导体材料制作而成的半导体器件。本文设计时采用高灵敏度锑化铟HW302B芯片作为霍尔芯片，在图5中也显示了霍尔芯片的安装位置，其置于两个四分之一圆形磁芯的中间气隙中，与钳口位置角度相差90°，这种安装方式可以通过测量算法的校正来解决气隙漏磁带来的精度问题。

本文所选择的霍尔芯片采用单列直插封装形式安装，由电压与电源两种模式供电，输入阻抗240 Ω，输出阻抗550 Ω，输出电压范围为122～204 mV，失调电压为 -7～7 mV。

2.3 放大电路与反馈电路的设计

霍尔元件可以将感应到的磁场转换为电信号，以霍尔电压的形式存在，但由于其电压较小，需要进行进一步放大处理才能实现测量。本文采用运算放大器LM201作为放大电路的主要元件，该芯片具有较大的放大倍数，且能够与补偿线圈组合搭建反馈电路。

放电电路通常由输入部分、放大器件与输出部分以及偏置部分组成。在图3所示的闭环霍尔电路中，本文设置R1=R2=1.5 kΩ，R3=R4=75 kΩ，控制本文放大电路的放大倍数为50倍。特别地，本文的放大电路采用差分放大电路的结构，起到提高放大电路的共模抑制比的作用，并能够减少温飘对测量精度的影响，输出部分采用甲乙类对称放大器，用于减小测量电路的非线性失真。具体而言，本装置的R1与R2作为放大电路的输入部分，分别与霍尔芯片的两端相连。霍尔芯片在待测电流通过时两端产生一个霍尔电势，R1与R2将霍尔电势差转化为电流差，经过放大电路放大后在输出端输出反馈电流IS，驱动补偿线圈产生磁通。

闭环霍尔电流传感器通过反馈电流IS产生的磁场与待测电流产生的磁场低消实现铁芯在气隙的磁通保持为零磁通状态，此时霍尔元件两端的电势差为0，再通过采样电路实现对反馈电流的采样，最终实现对待测电流的间接测量。放大电路中R3和R4以及负反馈控制芯片的存在可以确保IS自动调整到R1和R2传递来的电流差为0。IS通过采样电阻Rm进行测量，反馈电流通过采样电阻并在其两端产生一个电压降V0，即可计算求得被测电流。

本文采用补偿线圈的匝数为10000匝，则被测电流的大小可表示为

其中Rm是取样电阻，Vo是取样电阻上的电压降。

2.4 调零电路的设计

表1为典型霍尔芯片的相关参数。由表可知。在霍尔芯片的供电电压为6 V的条件下，即使导磁铁芯的气隙处磁场为0，霍尔芯片的两端仍然能够达到最大±16 mV的电势输出，这个电势称为霍尔材料的零偏置电压，若零偏电压在测量电路中无法得到有效的补偿低消，将会对电流测量部分精度带来较大的影响，特别是在小电流测量中，零偏电压带来的误差更为明显。

表1 典型霍尔芯片的参数手册Table 1 Typical Hall chip parameter manual

电路调零主要采用调节VF+与VF-实现，本文采用数字控制器通过数模转换控制VF+与VF-的大小，用于抵消霍尔芯片零偏电压的影响。在图3所示的电路中取R1=R2，R3=R4，C3=C4，R5=R6，则输出电压Vo与VF+和VF-的关系为

由于数字控制器的数模转换只能输出正电压，因此，通过调节VF+可以抵消霍尔芯片的负偏置，通过调节VF-可以抵消霍尔芯片的正偏置。

3 实例分析

为了验证本文所设计的闭环电流传感器的性能，本文采用模拟实验来测试装置的准确性。本试验的待测电流由一75匝初级线圈提供，初级线圈上的电流范围为0～7 A，用于模拟待测电流范围为0～525 A。选取某公司采用的开环电流传感器商业化探头作为对照对象，测试结果如表2所示。

表2 闭环电流传感器与开环传感器结果对比Table 2 Comparison of closed-loop current sensor and open-loop sensor

为了使对照结果更直观地展示，将表2的内容以图表的形式展现，做出开环霍尔电流传感器与闭环霍尔电流传感器的误差对比图如图6所示。由图可知，开环电流传感器有着较大的零偏电流，在测量较小的电流信号时，测量效果较差，随着测量电流信号的数值变大，开环电流传感器的相对误差随之减小，但相对误差仍然大于本文调零后的闭环霍尔传感器。此外，本文采用的调零后的闭环霍尔电流传感器的零偏电流远小于开环电流传感器，在测量小电流信号时具有明显优势。

图6 开环传感器与闭环传感器误差对比Fig.6 Error comparison between open loop sensor and closed loop sensor

同样地，为了比较闭环霍尔电流传感器调零对测量精度的影响，本文采用闭环霍尔电流传感器进行测试，其中一个测试样本未经过调零处理，另一样本采用数字控制器进行数模转换调零，测试结果如表3所示。

表3 调零对测量精度的影响Table 3 The effect of zero adjustment on measurement accuracy

将表3的内容以图表的形式展现，作出调零前与调零后的闭环霍尔电流传感器的测试误差对比图如图7所示。由图可知，未调零的闭环霍尔电流传感器具有较大的零偏电流，且该零偏电流在后续的电流测量中一直存在，叠加在之后的测量结果中，图中清楚地展示出了未调零的霍尔电流传感器的测量误差在零偏电流附近波动。因此，未调零的霍尔电流传感器在测量小电流信号时仍然会存在较大的测量误差，调零后的闭环电流传感器测量效果明显提升。

图7 调零对测量的误差影响Fig.7 Effect of zero adjustment on measurement error

本文的测试结果说明本文所设计的调零后的闭环电流传感器明显具有更小的测量误差，且在小电流信号测量时仍能保证较好的精度。

4 结论

闭环式霍尔电流传感器采用磁平衡的方法进行电流测量，可以保证测量电流时保证较小的气隙，防止气隙过大导致的漏磁，从而提高测量精度。本文设计的霍尔电流传感器采用差分放大电路进行放大，避免温飘对测量结果的影响；通过甲乙类对称放大器减小电路的非线性失真；采用数字控制器的数模转换实现对霍尔元件零偏电压的调零，从而使其能够在小电流信号时保证较高的精度。本文通过试验验证了本文所设计的经过调零的闭环霍尔电流传感器在测量电流时的测量误差远小于开环电流传感器与未调零的闭环电流传感器，具有较好的实用性。