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淺談閉環霍爾電流傳感器的工作原理及在逆變焊機中的應用

來源：上海安科瑞新能源有限公司 2020年06月14日 21:27

蔣超萍

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰 214400

【摘要】本文介紹閉環霍爾電流傳感器的工作原理及在逆變焊機中的應用，實現了對逆變焊機輸出電流的隔離測量、控制，解決了逆變焊機輸出電流的限流保護問題。

關鍵詞：霍爾電流傳感器逆變焊機閉環霍爾效應

1 問題的提出

逆變焊機（以下簡稱為焊機）的輸出電流的檢測與控制，直接決定了焊機工作的穩定性和可靠性。由于焊機的使用條件不同而導致負載變化較大，隨之焊機的輸出功率也將發生較大變化，若對焊機的輸出電流不加限制，會造成焊機因過載而發熱，影響其功率輸出，更嚴重情況下會導致焊機失效。

閉環霍爾電流傳感器（以下簡稱傳感器）在逆變焊機中的應用，實現了對焊機輸出電流的隔離測量，即霍爾電流傳感器的輸出信號與焊機的輸出電流電氣隔離，有利于霍爾電流傳感器輸出信號調整處理，通過調整、設定該信號并反饋控制焊機的輸出電流，當焊機的輸出電流接近設計功率輸出時，輸出電流將不再增加，從而限制了焊機的輸出功率, 保護焊機不會因負載等外部因素的變化而損壞。

2 閉環霍爾電流傳感器的工作原理

1879年，美國物理學家EdwinHerhert Hal發現霍爾效應以來，霍爾技術越來越多的應用于工業控制的各個領域。進入20世紀80年代，隨著元器件工藝技術的發展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件應用開發的霍爾電流傳感器的性能也有很大提高，特別是閉環霍爾電流傳感器的研制成功，大大擴展了該項技術的應用領域。

2.1 霍爾效應及霍爾器件

霍爾效應是霍爾技術應用的理論基礎，當通有小電流的半導體薄片置于磁場中時（見圖 l），半導體內的載流子受洛倫茲力的作用發生偏轉，使半導體兩側產生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓U_H，這個電壓U_H與磁感應強度B及控制電流I_C成正比，經過理論推算有如下等式關系：

U_H =（R_H/d）×B×I_C

式中 :U_H為霍爾電壓；B為磁感應強度；I_C為控制電流；R_H為霍爾系數；d為半導體厚度。

上式中，若保持控制電流I_C不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應強度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的lian系。根據這一關系式，人們研制了用于測量磁場的半導體器件，即霍爾器件。

圖1 霍爾效應原理

2.2 閉環霍爾電流傳感器的工作原理

閉環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品,它的工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。*，當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流大小成正比, 這磁場可以通過軟磁材料來聚集,然后用霍爾器件進行檢測,由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關系,因此可利用霍爾器件的測得的輸出信號,直接反應出導線中的電流大小。

3 閉環霍爾電流傳感器的主要性能

閉環霍爾電流傳感器是近10年來出現的高技術模塊化產品，與傳統的分流器或互感器的電流測量方法相比有許多優點。閉環霍爾電流傳感器主要有以下特點：

（1）可以同時測量任意波形電流，如: 直流、交流、脈沖電流；

（2）二次(側)測量電流與一次(側)被測電流之間*電氣隔離，絕緣電壓一般為2-12kV ；

（3）電流測量范圍寬，可測量額定100A～2kA的電流；

（4）線性度:優于 0.1% I_N ；

（5）響應時間:小于5us ；

（6）頻率響應:0-100k Hz 。

4 閉環霍爾電流傳感器在逆變焊機中的應用

4.1 閉環霍爾電流傳感器的應用

閉環霍爾電流傳感器的應用范圍很廣，目前已成功的應用于各種電源、逆變焊機、發電及輸變電設備、電氣傳動、數控機床、jun用裝備等工業及jun用產品上。下面以額定電流為300A的CHB-300S型閉環霍爾電流傳感器 (見下圖）為例，說明這種傳感器的應用。

CHB-300S型閉環電流霍爾傳感器實物照片

CHB-300S型閉環霍爾電流傳感器的額定電流為300A，輸出電流為150mA，下表給出了CHB-300S型傳感器的主要性能參數:

CHB-300S型霍爾傳感器的主要性能參數

4.2 應用效果

某型逆變焊機中設計選用了CHB-300S型閉環霍爾電流傳感器作為系統電流檢測部件，傳感器的主要作用是隔離檢測焊機的輸出電流，通過對傳感器的輸出信號進行處理，設定限流工作點，確保焊機的輸出功率不高于逆變焊機的額定功率。閉環霍爾電流傳感器CHB-300S的應用，很好地實現了上述應用目的。

CHB-300S傳感器的應用

5.安科瑞霍爾傳感器介紹

5.1產品概述

AHBC-LTA系列電流傳感器的初、次級之間是絕緣的，可用于測量直流、交流和脈沖電流。

5.2. 技術參數及外形尺寸

額定輸入有效值電流	100	200	300	A
測量電流范圍	300（±18V，20Ω）	600（±18V，30Ω）	900（±18V，20Ω）	A
匝比	1:1000	1:2000	1:3000
測量電阻 ±12V	@±100Amax 80(max)	@±200Amax 80(max)	@±300Amax 76(max)	Ω
	@±200Amax 25(max)	@±500Amax 20(max)	@±600Amax 22 (max)	Ω
±15V	@±100Amax 110(max)	@±200Amax 120(max)	@±300Amax 100(max)	Ω
	@±200Amax 40(max)	@±500Amax 30(max)	@±600Amax 36(max)	Ω
額定輸出有效值電流Is	50±0.5%	100±0.5%	100±0.5%	mA
精度	0.5			級
電源電壓	±15			V
功耗電流	20+Is			mA
零電流失調	±0.2			mA
響應時間	＜1			µs
線性度	≤0.05			%FS
絕緣電壓	3.5kV/50Hz/1min			kV
頻寬	100			kHz
次級線圈電阻	26	26	56	Ω
工作溫度	-40～85			℃
儲存溫度	-40～85			℃

6 結語

經過以上測試 ,該傳感器的性能能夠滿足逆變焊機對電流檢測的需要，該設計已在多套逆變焊機中應用，并按相關標準進行了試驗測試，測試結果受到客戶的信任及肯定。

【參考文獻】

[1] 王文生李澤勇《閉環霍爾電流傳感器在逆變焊機中的應用》

[2] 安科瑞電量傳感器選型手冊[Z]. 2020.4.

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