电隔离霍尔元件电流检测方法优化

霍尔电流传感器的优点是测量准确度高、线性度好、响应快速，可做到电隔离检测。

图4-19 霍尔元件工作原理电路（磁场B垂直于HL）

霍尔元件（HL）检测电流的工作原理可用图4-19说明。它有四根引线，当磁感应强度为B的磁场垂直穿过HL，且控制电流输入端（1、3端）通过外电源供给恒定电流I_C时，则在信号电压输出端（2、4）有霍尔（效应）电压U_H输出，即

式中，U_H为霍尔电压；k_H为霍尔系数；I_C为控制电流；B为磁场的磁感应强度；φ₀为电流与磁力线的夹角；U₀为不等位电动势。

被测电流I_L产生磁感应强度为B的磁场，垂直穿过霍尔元件，且有B∝I_L，故测得U_H即等效测出I_L，但霍尔电压U_H一般只有几十毫伏，因而后面必须加放大器。

利用霍尔效应检测电流目前有直接检测式和磁场平衡式两种方法，分述如下。

1.直接检测式霍尔电流传感器

如图4-20a所示，被测电流I_L通过线圈及磁环转换为磁场，而置于磁场中的霍尔元件则将磁场转变成电压信号U_H输出。

当被测电流I_L通过绕在铁磁体上的N匝线圈，所激励磁场的磁感应强度B为

图4-20 直接检测式霍尔电流传感器

a）结构 b）检测电路

设霍尔元件的磁场灵敏度为S_H，则霍尔元件的输出电压为(www.xing528.com)

整理式（4-26），得

图4-20b所示为直接检测式霍尔电流传感器检测电路。其中，A₁为恒流源放大器，其输出为霍尔元件HL控制电流I_C；A₂为HL输出霍尔电压的放大器。

2.磁场平衡式霍尔电流检测器（LEM模块）

直接检测式霍尔电流传感器的主要不足是当被测电流过大时，为不使磁路饱和，保证测量的线性度，必须相应地增大铁心的截面积，这就导致检测装置的体积过大。而磁场平衡式霍尔电流传感器（简称LEM模块），亦称为检零式霍尔电流传感器，将互感器、磁放大器、霍尔元件和电子电路集成在一起，具有测量、反馈、保护三重功能。其工作原理如图4-21所示。

LEM模块的优点是借助“磁场补偿”的思想，保持铁心磁通为零。被测电流I_L通过导线（一次侧）产生的磁场H_L，使霍尔元件HL感应出霍尔电压U_H，U_H经放大器A放大后，产生一补偿电流i_s，而i_s流经N_s匝线圈（二次侧）产生的磁场H_s将抵消I_L产生的磁场，使U_H减小，i_s愈大，合成磁场愈小，直到穿过霍尔元件的磁场是零为止，这时补偿电流i_s则可间接地反映出I_L的数值。例如，若设一次、二次匝数比为N_L∶N_s=1∶1000，因稳定时磁动势平衡，即

则

i_s=I_L/1000

因此，测得i_s数值就能间接地反映出被测电流I_L的大小。实际系统中，利用i_s在外接电阻R_M上的压降作为SR电动机相电流的反馈信号，应视SRD的要求选定R_M的数值。

LEM模块通过磁场的补偿，铁心内的磁通保持为零，因而体积、重量得以显著减小，使用方便，电流过载能力强，整个传感器已模块化，套在被测母线上即可工作。应用该原理制成的商品已实现系列化，覆盖了从峰值50～100000A的范围。通过被测母线在传感器绕圈的方法还可提高更小电流的测量准确度。另一方面，其响应速度可达到1μs以内；而且与电阻采样比较，由于不需要在主电路中串入电阻，所以不产生额外的能耗。因此，其不失为SRD中一种理想的电流检测方法。

图4-21 用磁场平衡式霍尔电流传感器检测电流的原理电路