武 旭， 王林森， 居 鵬,2

(1.中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥 230062)

0 引 言

作為世界上應(yīng)用最廣泛、應(yīng)用數(shù)量最多傳感器之一的霍爾電流傳感器，具有靈敏度高、精度高、溫度漂移小、工作壽命長、可靠性、安全性高等優(yōu)點[1]?；诨魻栯娏鱾鞲衅鞯囊陨蟽?yōu)點，考慮到一般大電流傳感器不能交直流兩用，準(zhǔn)確度等級、頻率范圍、響應(yīng)速度，也很難同時滿足核聚變領(lǐng)域的需要。本文以閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種用于核聚變領(lǐng)域的大電流霍爾傳感器電路，此傳感器可測交直流電流。測量范圍高至±30kA，輸出信號準(zhǔn)確度等級高、頻率范圍寬、響應(yīng)速度快，同時解決了在大電流情況下，晶體管的大功耗散熱和電壓等級提高影響的問題，很好地滿足了核聚變領(lǐng)域的需要。

1 零磁通霍爾電流傳感器工作原理

1.1 霍爾效應(yīng)現(xiàn)象

具體產(chǎn)生的過程為：將通電的半導(dǎo)體材料(一般制成半導(dǎo)體薄片)放入磁場中，磁場的方向與電流方向夾角成90°(這時霍爾效應(yīng)最好)放置，這時由于導(dǎo)體中載流子受到洛倫茲力作用會發(fā)生偏移，在半導(dǎo)體薄片的兩邊會產(chǎn)生一個電壓差，在電場及磁場力的作用下載流子的運動達到一個平衡狀態(tài)，這一過程即為霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的過程，產(chǎn)生的電壓稱之為霍爾電勢[2],霍爾電勢Vh為

Vh=KhIB=Rh/d×f(L/b)×IB

(1)

式中I為通過霍爾元件的電流；B為垂直霍爾元件的磁感應(yīng)強度;Kh為霍爾材料靈敏度系數(shù)。Kh=Rh/d×f(L/b),Rh為霍爾系數(shù)；L,b,d為霍爾元件的長、寬、高；f(L/b)為修正系數(shù)。

1.2 工作原理

如圖1所示為零磁通霍爾電流傳感器的工作原理。一次側(cè)的原邊電流I1在磁芯中產(chǎn)生的磁場B1與二次側(cè)4邊線圈中I2產(chǎn)生的磁場B2相平衡，從而使4個霍爾元件H始終保持零磁通的工作狀態(tài)。補償電流I2的產(chǎn)生方式：霍爾元件在感應(yīng)到磁場的不平衡后，產(chǎn)生霍爾電壓Vh，經(jīng)過比例放大和積分調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號用于驅(qū)動功率放大電路，再由功率放大電路提供相應(yīng)占空比大小的電壓，最終形成二次側(cè)的電流I2。在整個傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定時，一次側(cè)和二次側(cè)的磁場始終保持平衡，即有N1·I1=N2·I2。

圖1 傳感器工作原理

考慮到使用的磁芯為正方形框體形狀，磁芯上不同位置處的磁場強度有所不同。為提高系統(tǒng)整體精度，本傳感器系統(tǒng)設(shè)計在磁芯的互為中心對稱的框體四邊的中點位置設(shè)置霍爾元件，共計4個霍爾元件，分別用來感受4點的磁場強度。以這4個霍爾電壓大小的和來衡量磁場的不平衡量，作為系統(tǒng)的反饋量。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

整個電流閉環(huán)傳感器系統(tǒng)分為6個部分：1)霍爾器件供電電路，由恒壓源給霍爾元件提供工作電流；2)感應(yīng)電路，一次側(cè)電流發(fā)生變化時，磁場平衡被打破，敏感元件感應(yīng)到磁場不平衡從而產(chǎn)生霍爾電壓Vh；3)放大電路和積分調(diào)節(jié)電路，對霍爾元件產(chǎn)生的微弱霍爾電壓信號進行放大調(diào)節(jié)；4)PWM波產(chǎn)生電路，放大后的霍爾信號與載波通過比較器比較，后產(chǎn)生三電平的PWM信號；5)功率放大電路，PWM波驅(qū)動金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)開通，形成一定占空比的電壓信號，加在補償線圈兩端從而形成反饋電流；6)反饋電路，依據(jù)磁平衡原理，利用二次側(cè)補償線圈產(chǎn)生的磁場對一次側(cè)磁場進行補償，使氣隙處始終處于零磁通狀態(tài)，其工作流程如圖2所示。

2.1 霍爾元件

霍爾元件是組成閉環(huán)霍爾電流傳感器的重要組成部分，本設(shè)計選用銻化銦為敏感元件材料的器件HW—302B，其采用單列直插式封裝形式。輸入采用電壓或電流兩種模式供電，最大輸入電流為20 mA，輸入、輸出阻抗為240～550 Ω，失調(diào)電壓為-7～7 mV，溫度系數(shù)為-1.8 %/℃，輸出霍爾電壓范圍為122～204 mV。由于采用電流源模式供電，引腳1,3為控制輸入端，引腳2,4為霍爾電壓輸出端，霍爾元件置于磁芯氣隙處，能最大程度地感應(yīng)垂直穿過霍爾元件的磁場[3]，得到穩(wěn)定的霍爾電壓。

圖2 傳感器工作流程

2.2 放大電路和積分調(diào)節(jié)電路

一次側(cè)電流發(fā)生變化時，磁場平衡被打破，敏感元件感應(yīng)到磁場不平衡從而產(chǎn)生微弱霍爾電壓Vh，由于電壓很小，需要對此信號進行放大和調(diào)節(jié)，采用OPA2277高精度運算放大器。通過改變電阻值來改變放大倍數(shù)，OPA2277的1,2引腳之間跨接電阻器組成比例放大電路，6,7引腳之間跨接電阻器和電容器組成積分調(diào)節(jié)電路。本設(shè)計電路通過調(diào)節(jié)與電容器相連的可調(diào)電阻器來調(diào)整放大倍數(shù)，電路如圖3所示。

圖3 放大電路和積分調(diào)節(jié)電路

2.3 PWM波產(chǎn)生電路

設(shè)計的PWM波產(chǎn)生方式是用霍爾輸出放大信號與載波進行比較，產(chǎn)生一定占空比的三電平信號。如圖4所示，為載波調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)LF347的1,2引腳之間的可調(diào)電阻器RP3調(diào)節(jié)載波幅值，調(diào)節(jié)與6引腳相連的RP2改變載波的偏移量，引腳7輸出負載波(TRI-)，引腳8輸出正載波(TRI+)。

圖4 載波調(diào)節(jié)電路

如圖5所示，VERR與TRI+通過比較器LM393比較，比較后的信號經(jīng)過處理產(chǎn)生PWM1和PWM3；VERR與TRI—通過比較器LM393比較，比較后的信號經(jīng)過處理產(chǎn)生PWM2和PWM4。

圖5 PWM波產(chǎn)生電路

2.4 功率放大電路

如圖6所示為功率放大電路原理。該電路的供電電壓為正負直流電壓，其中VDC+,VDC-絕對值相等，0 V為0電位，功率放大電路采用正負向?qū)ΨQ的設(shè)計。為了在引出位置(即二次側(cè)線圈串聯(lián)采樣電阻)輸出正向或反向的電壓；4路PWM波驅(qū)動T1～T4，通過控制4個MOSFET的通斷來控制引出位置的電壓。具體工作原理以正向為例來說明：在需要產(chǎn)生正向電壓時，PWM2為高電平，MOSFET管T2一直開通，對應(yīng)的PWM4為低電平，MOSFET管T4一直關(guān)斷。PMW1為設(shè)置好占空比的PWM波，用于控制MOSFET管T1，PMW3與PMW1為邏輯運算與非關(guān)系，此時的MOSFET管T3的狀態(tài)對電路無影響。T1開通時，電流方向：VDC+ →T1→T2→引出位置→0；T1關(guān)斷時，電流方向：引出位置→D1→T2→引出位置，形成續(xù)流回路；引出位置接二次側(cè)線圈，線圈電感很大，通過控制PMW1的占空比來實現(xiàn)控制二次側(cè)線圈上的補償電流。

圖6 功率放大電路原理

2.5 反饋電路

閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器采用磁平衡原理，被測電流產(chǎn)生的磁場需要通過二次側(cè)線圈電流進行補償，使霍爾元件在氣隙處始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)I1剛建立磁場，I2尚未形成時，霍爾元件檢測出N1I1所產(chǎn)生的磁場信號，經(jīng)放大電路和積分調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換為PWM波信號用于驅(qū)動功率放大電路，最終形成對應(yīng)占空比大小的電壓[4]。由于補償回路是個線圈，通過線圈電流不會突變，因此I2逐漸上升，N2I2所產(chǎn)生的磁場補償了N1I1所產(chǎn)生的磁場，因此霍爾元件輸出減小，I2上升減慢。當(dāng)N2I2=N1I1時，磁場達到平衡，霍爾元件輸出為零，但由于線圈的影響，I2會繼續(xù)上升，平衡打破(N2I2>N1I1)，形成過補償，霍爾元件輸出信號會變號，輸出功率放大電路使I2減小，在這種往復(fù)的過程中，氣隙處的霍爾元件會處于平衡點附近振蕩[5]。

2.6 霍爾元件補償

由于半導(dǎo)體特性和制造工藝等原因，霍爾電流傳感器在對電流測量時總是存在一定的誤差。為進一步提高霍爾元件的測量精度和靈敏度，往往需要對霍爾元件進行誤差補償[6]，其主要包括溫度補償和不等位電勢補償。

2.6.1 溫度補償

由于霍爾元件是有半導(dǎo)體元件制成，半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率、載流子的濃度都會隨溫度的變化而變化，造成測量誤差，因此需要溫度補償[5]。針對溫度變化導(dǎo)致的內(nèi)阻變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻值進行補償。

1)輸入回路補償法

如圖7所示，采用恒流源供電，并聯(lián)分流電阻器R，設(shè)初始溫度為T0，霍爾元件的輸入電阻值為R0，霍爾電流為I0，霍爾元件靈敏度為K0，當(dāng)溫度上升到T時，霍爾元件的輸入電阻值為R1，霍爾電流為I1，霍爾元件靈敏度為K1。則溫度在T0和T時有下式

I0=IR/(R0+R)，I1=IR/(R1+R)

(2)

K1=K0[1+α(T-T0)]，R1=R0[1+β(T-T0)]

(3)

式中 下標(biāo)0,1分別為溫度為T0和T的有關(guān)值，α為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)，β為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)。當(dāng)溫度影響帶來的測量誤差完全補償時，不同溫度下輸出的霍爾電壓相等[7]。

圖7 輸入回路補償電路

2)輸出回路補償法

輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時，用熱敏電阻值Rt的變化來抵消霍爾電勢Vh和輸出電阻值R0變化對輸出電壓的影響，從而保持輸出霍爾電勢與溫度基本無關(guān)。

2.6.2 不等位電勢補償

不等位電勢是霍爾元件在加額定控制電流而外磁場為零時出現(xiàn)的霍爾電勢，稱其為零位電勢[8](及零漂)。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋。輸入電極1,3和輸出電極2，4可看作電橋的電阻連接點，其相互之間分布電阻值R1，R2，R3，R4構(gòu)成4個橋臂，當(dāng)B=0時，理想情況下Vh=0，即4個電阻值相等。如果通入額定電流，而Vh不等于0，說明4個電阻存在差異，需要添加平衡電橋電路[9]。如圖8所示，通過對滑動電阻器的調(diào)節(jié)可以達到霍爾元件的電橋平衡，從而在B=0時，使輸出電壓Vh=0。

圖8 不等位補償電路

3 測量結(jié)果及處理

3.1 測量方法

1)選用的測試電源為高精度逆變電源，此電源可以輸出電流為正負直流、交流，輸出通過導(dǎo)線和負載相連，負載為一個大環(huán)形線圈，被測傳感器套在大環(huán)形線圈臂上(即電源輸出一個小電流用等效安匝法使電流加倍)；另外高精度逆變電源輸出導(dǎo)線上套有標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器。

2)設(shè)計傳感器電路可以采集交直流信號；板卡控制電選用直流12 V，功率放大電路供電電壓為直流±80 V。

3)將設(shè)計傳感器的信號輸出端與精密電阻器相連，電阻器另一端接到±80 V電源的0 V電位上。分別采集精密電阻兩端電壓信號和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出電壓信號。

3.2 測量過程

實驗在一次側(cè)高精度逆變電源輸出電流為正負直流條件下測試。接通電源使傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定0.5 h，調(diào)節(jié)高精度逆變電源，使電流輸出從0 A開始正向增加，每間隔5 kA停頓一下，等在該點穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達到30 kA，后退到0 A；電流從0 A開始負向增加，每間隔-5 kA停頓一次，等在該點穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達到-30 kA，后退到0 A。特別需要注意讀數(shù)時必須在每個電流點上保持電流穩(wěn)定后讀取。

3.3 測量范圍和準(zhǔn)確度等級(精度)

表1 電流測試數(shù)據(jù)

從表中可以看出：最大電流達到了±30 kA；最大相對誤差為0.44 %，出現(xiàn)在實驗中電流最小的點，且明顯有電流較小時相對誤差更大的情況。造成這種情況的原因是,零點漂移消除得不夠徹底，數(shù)據(jù)較小時，采集測量的零點漂移影響了傳感器的準(zhǔn)確度等級，但整體準(zhǔn)確度等級達到了0.5級(精度為0.5 %)。傳統(tǒng)傳感器測量范圍在±10 kA以下,即使范圍能到達±30 kA的準(zhǔn)確度等級為1.0級。

3.4 頻率范圍

設(shè)計電流傳感器和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出接示波器，調(diào)節(jié)高精度逆變電源使電源每次輸出交流電流為有效值40 A(大環(huán)形線圈上產(chǎn)生等效有效值約為21.3 kA的電流)，每次測試改變頻率。經(jīng)過測試，觀察待測電流傳感器的輸出信號波形，當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率為20 kHz時，設(shè)計電流傳感器采到的輸出頻率為20.08 kHz，有效值為3.52 V(探頭衰減10倍，顯示為0.352 V)。經(jīng)過計算，輸入輸出電流基本保持相等，說明此頻率下輸出信號的幅頻特性較好。當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率繼續(xù)增加，設(shè)計電流傳感器采到的輸出電壓有效值明顯減小，說明傳感器跟蹤失敗，輸出信號幅頻特性變差；但比傳統(tǒng)同類型±30 kA大電流傳感器(頻率范圍1 kHz)有很大的提高。

3.5 響應(yīng)時間

指一次側(cè)電流為高頻交流或充電機暫態(tài)放電電流時，設(shè)計電流傳感器采到電流的時刻與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器采到電流時刻的時間差，定義為響應(yīng)時間[10]。由于本傳感器設(shè)計的頻率范圍為20kHz，所以把高精度逆變電源輸出波形頻率設(shè)為20kHz條件下，經(jīng)過多次測試得出一組時間差值，計算平均值得到反應(yīng)時間小于5μs。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種測量范圍大、準(zhǔn)確度等級高、頻率范圍寬、響應(yīng)快的傳感器。經(jīng)過測試，此電流傳感器測量范圍達到±30 kA，準(zhǔn)確度等級到達0.5級，頻率范圍到達20 kHz，反響時間小于5 μs，并解決了在大電流情況下，晶體管的大功耗散熱和電壓等級提高影響的問題，此傳感器可以廣泛應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域。