1、引言
地面車用電源系統(tǒng)（以下簡稱電源系統(tǒng)）的輸出電流的檢測與控制，直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，從而會(huì)影響車輛用電負(fù)載的運(yùn)行狀況及車輛的可操作性。由于車用電源的負(fù)載常常因?yàn)檐囕v復(fù)雜的使用條件而導(dǎo)致負(fù)載變化較大，隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制，會(huì)造成電源因過載而發(fā)熱，影響其功率輸出，更嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源永久失效。
閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡稱傳感器）在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測量，即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)調(diào)整處理，通過調(diào)整、設(shè)定該信號(hào)并反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不在增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會(huì)因用電負(fù)載的變化而損壞。
2、閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理
1879年，美物理學(xué)家EdwinHerbertHall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，霍爾技術(shù)越來越多的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入八十年代，隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件應(yīng)用開發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有很大提高，特別閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大的擴(kuò)展了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.1霍爾效應(yīng)及霍爾器件
霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場中時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓VH，個(gè)電壓VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算有如下等式關(guān)系：
VH=（RHd）×B×IC（1）
式中：VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。
上式中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，們研制了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。
圖1霍爾效應(yīng)的原理
2.2閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理
閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式的（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過一根的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件的測得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大小，即：
I∝B∝VH（2）
式中：I為通過導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)VH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)（或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。
針對(duì)霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接信號(hào)放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡單、成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度、線性度較差；響應(yīng)時(shí)間較慢；溫度漂移較大。為了克服開環(huán)傳感器存在的不足，八十年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七O一廠引進(jìn)國外技術(shù)在國內(nèi)率先開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制、生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器在國內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)用。
閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場，通過一個(gè)副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即有如下等式：
N×IN=n×IM（3）
式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過測量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。
圖2閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理
3、閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能
閉環(huán)霍爾電流傳感器是近十年來出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能要大大的優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：
1)可以同時(shí)測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；
2)副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2KV~12KV；
3)電流測量范圍寬，可測量額定1mA~50KA電流；
4)跟蹤速度didt：高于50Aus；
5)線性度：優(yōu)于0.1%IN；
6)響應(yīng)時(shí)間：小于1us；
7)頻率響應(yīng)：0~100KHz。
4、傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用
閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功的應(yīng)用于各種電源、逆變焊機(jī)、發(fā)電及輸變電設(shè)備、電氣傳動(dòng)、數(shù)控機(jī)床、軍用裝備等工業(yè)及軍用產(chǎn)品上。下面以額定電流為300A的CHB-300S型霍爾電流傳感器為例說明這種傳感器的應(yīng)用。
CHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器的額定電流為300A，輸出電流為150mA，表1給出了CHB-300S型傳感器的主要性能參數(shù)。
表1CHB-300S型霍爾傳感器的電參數(shù)
某型地面車輛裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，在該車輛發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選用了CHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測部件，傳感器的主要作用是隔離檢測發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，通過對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-300S的應(yīng)用，很好的實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。通過設(shè)置傳感器CHB-300S的輸出信號(hào)，對(duì)發(fā)電機(jī)D1的輸出電流加以限制，避免出現(xiàn)發(fā)電機(jī)的輸出功率過高而發(fā)生故障或損壞，保證發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。
圖3CHB-300S型傳感器的應(yīng)用
經(jīng)過測試，該傳感器的性能能夠滿足車用發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電流檢測的需要，該設(shè)計(jì)已在多套地面車輛的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果受到專家的肯定。
