霍尔电压传感器原理详解及特点分析
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霍尔电压传感器原理详解及特点分析
发布时间： 11:10:41
　　霍尔电压传感器相对电磁式电压互感器而言，具有体积小、重量轻、宽频带、交直流两用等优点，在工业测控领域得到了广泛应用。
　　随着电力电子技术的高速发展，变频调速技术在电机驱动中应用越来越广，对采用变频调速技术的电机系统进行准确的能效计量检测，既是对变频调速技术节能效果的检测，也是变频调速技术科学、持续发展的基础。而霍尔电压传感器是目前变频器及风力发电机、交流牵引电机、电动汽车电机等变频电机的检试验和能效计量检测的主要测量装置。本文旨在通过对霍尔电压传感器原理剖析，了解霍尔电压传感器的主要特点，并以此指导工程应用。
图1 霍尔电压传感器实物图
二、霍尔电压传感器原理
　　如图2所示，霍尔电压传感器主要包括初级线圈、磁环、次级线圈、放大电路及与初级线圈串联的限流电阻R。抛开限流电阻R，剩余部分相当于一个。不同之处在于该传感器的初级电流非常小，一般为毫安级。
　　直观分析：小信号测量难度大，测量精度低，因此，同样基于霍尔效应的霍尔电压传感器的性能远远低于霍尔电流传感器。
图2 霍尔电压传感器原理
　　显然，初级线圈的电流越大，电阻R的功率越大。过大的电流会带来如下的弊端：
　　◆传感器消耗较大功率，并对被测回路造成影响；
　　◆电阻发热量大，温度高，温漂对测量精度的影响大；
　　◆为了散发这些热量，必然增大霍尔电压传感器的体积，同时对绝缘不利。
　　上述原因决定了实际霍尔电压传感器的输入限流电阻较大，并且，测试电压越高，其阻值越大。
三、霍尔电压传感器特点
　　上节分析了霍尔电压传感器原理，我们知道霍尔电压传感器的输入有一个阻值较大的电阻，且一次绕组的匝数较大。
　　客观世界中，不存在理想的电阻元件，因为电阻元件本身具有一定的形状和体积，必然造成其附加的电感和电容，此外，环境的分布电感和分布电容也对电阻元件起到一定的影响。如图3所示，电阻元件可以等效为电阻R与电感L串联后再与电容C并联。
图3 霍尔电压传感器串联的电阻元件的等效电路
　　图3中电阻元件的阻抗为：
　　上式中，Re和Xe分别为等效电阻的分量和等效电抗分量。
　　由于L、C一般较小，1/LC较大，在ω2&&1/LC时和ω&&1/RC，上式可简化为：
　　一般而言，由于L很小，第一项可忽略。对于第二项，当RC较小时，非常接近R。然而，当R较大时，RC不可忽略。
　　当RC相对ω不可忽略时，第二项对霍尔电压传感器的精度和带宽都有较大的影响。
　　由此得出第一个结论：采用相同技术时，输入电阻越大，分布参数对霍尔电压传感器的带宽影响越大。
　　通过分析霍尔电压传感器原理，我们知道，霍尔电压传感器初级线圈匝数较多。线圈匝数越多，其电感越大。正常情况下，多匝线圈呈现明显的感性，不适宜用于交流电压测试。但是，从霍尔电压传感器原理分析可知，霍尔电压传感器正常工作时，在补偿绕组磁场的作用下，霍尔元件处的磁感应强度为零。假如初级线圈内部及外部处处磁感应强度为零，那么，线圈实际上的等效电感为零。这是霍尔电压传感器适合交流电压测试且一般具备较宽频带的重要原因之一。
　　然而，初级线圈和补偿线圈不可能完全重合，初级线圈内部和附近不可能磁场处处为零，存在磁场，就必然对电流的变化起到影响，并对霍尔电压传感器的带宽造成一定的影响。
　　为了使霍尔元件具有足够的灵敏度，霍尔电压传感器的初级电流越小，需要的匝数越多。匝数越多，霍尔电压传感器带宽越窄。
　　由此得出第二个结论：采用相同技术时，初级绕组匝数越多，对霍尔电压传感器的带宽越大。
　　对于霍尔电压传感器而言，考虑到电流通过电阻会发热，一般而言，被测电压越高，限流电阻R越大，RC对霍尔电压传感器的影响也越大。被测电压越高，初级线圈的电流越小，初级线圈的匝数越多。
　　这就是为何同一个厂家的霍尔电压传感器，随着测试电压的增高，带宽逐步降低的主要原因。
四、常用霍尔电压传感器的技术指标
　　下表为常用霍尔电压传感器及的SP103501C型的上升时间、精度及带宽指标，由表可知，随着测试电压的升高，霍尔电压传感器的精度降低，且上升时间变大，带宽变窄。
表1 常用霍尔电压传感器主要技术指标
　　注：由于目前大多霍尔电压传感器未公布带宽指标，可依据经验公式BW=0.35/tr对带宽进行估算。表中的带宽就是依据此公式计算获取。
　　表中所述霍尔电压传感器的精度及带宽随着被测变化趋势与第三节的分析相符。此外，表中所述6400V霍尔电压传感器的带宽仅700Hz，用于交流电量时需要特别注意。
　　在变频功率（通常也称宽频功率测量）测量中，目前的多数变频功率分析仪可直接测量1kV以内的电压，霍尔电压传感器主要用于测量1kV以上的交流电压，而1kV以上的霍尔电压传感器的精度较低、带宽较窄，用户在构建1kV以上高电压变频功率测试系统时需特别注意。
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论霍尔电流电压传感器的性能及应用
    摘要：霍尔电流、电压传感器是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，可广泛用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，可完全替代传统的和分流器，并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。 1 引言　　近年来，新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变频调速、逆变装置及开关电源等领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气检测元件。　　霍尔电流、电压传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，因而被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。在电力电子产品中，对大电流、电压进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。2 霍尔传感器的性能特点　　霍尔电流、电压传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离测量）。利用同一只霍尔电流电压传感器检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电流、电压传感器具有如下特点：　　●可测量任意波形的电压和电流。霍尔电压、电流传感器可以测量任意波形的电流和电压参量，如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比，因为普通的互感器一般只适用于50Hz的正弦波；　　●精度高。一般的霍尔电流电压传感器在工作区域内的精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3%～5%，且只适合于50Hz的正弦波形；　　●线性度优于0.5%；　　●动态性能好。一般霍尔传感器的动态响应时间小于7&s，跟踪速度di/dt高于50A/&s；霍尔电流电压传感器以其优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础（无感元件）。一般普通互感器的动态响应时间为10～20&s，这显然已不适应工业控制系统发展的需要（感性元件）；　　●工作频带宽。可在0～20kHz频率范围内很好地工作；　　●过载能力强，测量范围大（0～&10000A）　　●可靠性高，平均无故障工作大于5&10000小时；　　●尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。3 霍尔传感器的工作原理　　霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直放式。霍尔电流、电压传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。3.1 直放式电流传感器（开环式HDC系列）　　众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。3.2 磁平衡式电流传感器（闭环式HNC系列）　　磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。　　磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来跟踪Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程，最后重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1&s，这是一个动态平衡的过程。3.3 霍尔电压传感器（闭环式HNV系列）霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。4 霍尔传感器的连接方式电流、电压传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线一般从传感器中穿过或接于原边端子，然后在副边端再作一些简单的连接即可完成主控制电路的隔离检测，电路设计非常简单。若与变送器配合使用，经A/D转换后，可方便地与计算机或各种仪表接口，并可以进行长距离传输。4.1 磁平衡（补偿）式接线法　　磁平衡（补偿）式电流、电压传感器/变换器有HNC、HNV两系列：其输出信号多为电流。（若需要电压输出方式，可在M端与电流地之间根据所需电压大小外接取样电阻或将取样电压进行必要的信号放大。）该类常规传感器的3个接线端子分别为：正电源输入接&+&端，负电源输入接&-&端，&M&端为信号输出端。4.2 直放式接线法　　直放式电流传感器有HDC系列。它的输出信号为电压方式，在额定工作条件下，其标准输出信号为&4V，用户可根据需要选取。传感器上有零点和增益电位器，用户一般不需再作调整。若用户有特殊要求，可向厂方订做。直放式电流传感器的接线方法会因具体产品的不同而有所不同，但多为4个接线端子分别为：正电源输入接&+&端，负电源输入接&-&端，&M&端为信号输出端，&0&端为电源地 。4.3 电压传感器的接线法　　电压传感器一般有5个接线端子，其中&V +&、&V-&为原边端子，分别接被测电压输入端的正极和负极。另外3个端子为副边端子，&+&端接+15V电源，&-&端接-15V电源，&M&端为信号输出端。根据所测电压大小的不同，用户可根据需要在被测电压一端串接一个限流电阻R后再接到传感器的原边，串接电阻R的大小由下式决定：　　　　R=Vp/Iin-Rin　　　　式中R为串联电阻，Vp为被测电压，Iin为额定输入电流，Rin为传感器的原边内阻。　　　　串接电阻功率大小由W=Vp&Iin确定。5 霍尔电流电压传感器的应用5.1 电压型逆奕器保护电路　　在电压型逆变器中，如果换相换败，则很容易使一相中上下两个桥臂中的半导体器件因过电流而损坏，如上下桥臂采用功率模块时，要求短路电流保护电路能在短路检出后10&s内切断门驱动电路，同时还需考虑电路的传输时间。所以，这种逆变器必须有快速过电流保护装置，可以用霍尔电流传感器检测每个桥臂中的电流。若因换相失败造成了上下桥臂同时导电，则相应的两处传感器可以同时检出电流信号，该信号与基准电压比较后转换成方波。这样，可通过门电路控制封锁所有的逆变触发脉冲，从而达到切断门驱动电路的目的。电压型逆变器保护电路优点是，只要上下桥臂同时存在的电流超过基准，保护电路立即动作。因为保护早，功率模块不会经受过大电流的冲击。其次，保护动作速度快。因为霍尔电流传感器是无感元件，在功率模块判断时，它不会产生过电压。因此，可简化设计过程，提高效率。5.2 用于变频调速装置　　利用霍尔电流传感器还可以检测变频调速系统的主回路信号。使用时，第一个电流传感器模块接入整流滤波后的直流回路。当检测到主回路中出现异常尖峰或者有效值超出标准时，电路将迅速切断逆变触发电路的触发脉冲，以保护逆变和整流模块。另外3个传感器接入逆变器的输出回路，用来检测随频率变化的交流电流。这样可以更好地控制转矩，也可提供防止电机过载所需的信号。5.3 电流传感器在逆变焊机中的应用　　霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离作用，在直流输出的电力电子中，可以利用霍尔电流传感器测得与主电路隔的直流测量信号，也可以通过电子控制电路对直流测过流、短路保护和显示控制，还可用于电流反馈和稳流调节。 ６ 使用注意事项　　使用霍尔传感器时，应注意以下几点：　（1）使用传感器时，应先接通副边电源，再接通原边电流或电压。　（2）测量电流时，最好用单根导线充满模块孔径，以获得最佳动态特性和灵敏度。　（3）测量电压时，被测电压应先串接限流电阻，在得到传感器所规定的原边电流后，再接入电压传感器原边端子。　（4）模块的最佳精度是在额定值下测得的。当被测电流低于额定值时，为了获得较好的精度，原边可以使用多匝，即：Ip*Np=额定安匝数.&
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霍尔电流传感器常用于交直流电流测试，更多的用于变频测试、测量环境。使用时，为了避免干扰及达到传感器应用的精度，需注意：1、穿心导体问题，穿心导体应充满孔径，根据霍尔电流传感器的孔径，可选择铜排、铜棒等。2、传感器附近，不宜有强磁场。包括变压器及流过大电流导体等，因此，在三相测试中，相间传感器不宜安装太近。3、变频测试环境下，电磁干扰较大，尽量选择二次输出为电流信号的传感器，且电流信号近可能大，如200mA、500mA等。
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