地面車用電源系統(tǒng)(以下簡稱電源系統(tǒng))的輸出電流的撿測與控制直接決定了電源系統(tǒng)工阼的穩(wěn)定性和可靠性，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的復(fù)雜使用條件而導(dǎo)致負(fù)載變化較大，電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對電源的輸出電流不加限制．會造成電源因過載而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致電源的永久失效。

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)了對電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測量．即傳感器的輸出信號與電源的輸出電流完全電氣隔離，有利于傳感器輸出信號的調(diào)整處理，通過調(diào)整和設(shè)定該信號，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)，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會圍用電負(fù)載的變化而損壞。

2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

1879年，美國物理學(xué)家Edwim Herbert Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，此后，霍爾技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，霍爾電流／電壓傳感器的'眭能有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流／電壓傳感器的研制成功，大大擴(kuò)展了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

2．1 霍爾效應(yīng)與霍爾器件

霍爾效應(yīng)是霍爾器件的理論基礎(chǔ)。如圖1所示，當(dāng)把通有小電流的半導(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而發(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，這個VH電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算得到如下等式關(guān)系：

VH=（RH/d）×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)體片的厚度。

在式(1)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的聯(lián)系；根據(jù)這一關(guān)系式。人們研制了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件即霍爾器件。

2．2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其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)電流流過一根長的直導(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)線的電流的大小成正比，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有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小，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為霍爾器件在磁場中產(chǎn)生的霍爾電壓。

選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。

對于霍爾輸出電壓VH的處理，人們設(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。

針對霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流的大小，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、成本相對較低；其缺點(diǎn)是精度和線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為克服開環(huán)傳感器的缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京701廠引進(jìn)國外技術(shù)率先在國內(nèi)開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器逐漸為國內(nèi)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．如圖2所示．即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場通過一個副邊線圈的電流(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)。式(3)成立。

N×IN =n×IM (3)

式中．IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝；：IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。

由式(3)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，即可推算匠邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測量。

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，其性能大大優(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)測量任意波形的電流，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～2kV；

3)電流測量范圍寬(1 mA～50kA)；

4)跟蹤速度(di/dt)高于50A／μs；

5)線性度優(yōu)于0．1％IN；

6)響應(yīng)時(shí)間小于1μs；

7)頻率響應(yīng)范圍為0 kHz～100kHz。

4 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，已成功地應(yīng)用于逆變焊機(jī)、發(fā)電及輸變電設(shè)備、電氣傳動、數(shù)控機(jī)床等。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300 A，輸出電流為150mA，表1給出CHB-300S型傳感器的主要性能參數(shù)。

在某型號地面車輛中裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，在滾車輛的發(fā)電系統(tǒng)中選用了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，通過對傳感器的輸出信號進(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。應(yīng)用閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-300S很好地實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。如圖3所示，發(fā)電機(jī)D1輸出正端母線電流排穿過CHB-300S／SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB-300S／SPl檢測發(fā)電機(jī)D1的輸出電流，傳感器的輸出端IM1與發(fā)電機(jī)控制盒相連，它們的輸出信號電流為150mA，對應(yīng)300 A原邊額定輸入電流，依據(jù)此信號，由發(fā)電機(jī)控制盒設(shè)定發(fā)電機(jī)的輸出電流控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)D1的輸出電流的檢測。通過設(shè)置CHB-300S／SP1的輸出信號，對發(fā)電機(jī)D1的輸出電流加以限制，避免發(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。

經(jīng)過測試證明，該傳感器的性能能夠滿足車用發(fā)電系統(tǒng)對電流檢測的需要，該產(chǎn)品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。