CN101634666B - 一种超大电流霍尔检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种超大电流霍尔检测方法及装置，其特征在于将大电流通过由上到下依次带有主气隙、分流气隙、检测气隙的口字形软磁体磁芯的上面的窗口，位于检测气隙两边的磁芯上设置有补偿线圈，在检测气隙中设置霍尔器件并将霍尔器件所检测到的电压通过带有功率管的电路产生一补偿电流作用在补偿线圈使其所产生的磁通方向与被检测电流在气隙中产生的磁通方向相反，通过检测位于检测气隙中的霍尔器件处于检测零磁通时所需的补偿电流来获取计算大电流的电流值的信息，继而获得大电流的电流值。本发明与已有技术相比，具有能检测大电流的且线性度高、检测精度高的优点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种检测电流的方法及装置，特别是一种电流霍尔检测方法及装置。
背景技术：
霍尔效应及霍尔器件霍尔效应是此专利的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压VH，VH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有式(1)关系。
VH＝(RH/d)×B×IC(1)
式中：B为磁感应强度；IC为控制电流；RH为霍尔系数；d为半导体厚度。由式(1)可以看出，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。
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1μs，这是一个动态平衡的过程.
磁平衡式电流传感器主要有以下特点：
1)可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；
2)补偿测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～12kV；
3)电流测量范围宽，可测量额定1mA～50kA电流；
4)跟踪速度di/dt＞50A/μs；
5)线性度优于0.1％IN；
6)响应时间＜1μs；
7)频率响应0～100kHz.
目前，公知的霍尔传感器在检测电流中有这样的不足：精度低、线性度不够好，或被检测电流小、从而无法满足一些高要求大电流检测场合。
发明内容：
本发明的发明目的在于提供一种能检测大电流的且线性度高的、精度高的超大电流霍尔检测方法及装置。
本发明的超大电流霍尔检测方法是这样实现的，将大电流通过由上到下依次带有主气隙、分流气隙、检测气隙的日字形软磁体磁芯的上面的窗口，位于检测气隙两边的磁芯上设置有补偿线圈，在检测气隙中设置霍尔器件并将霍尔器件所检测到的电压通过带有功率管的电路产生一补偿电流作用在补偿线圈使其所产生的磁通方向与被检测电流在气隙中产生的磁通方向相反，通过检测位于检测气隙中的霍尔器件处于检测零磁通时所需的补偿电流来获取计算大电流的电流值的信息，继而获得大电流的电流值。由于磁环上设置主气隙、分流气隙、检测气隙，通过分流气隙的分流，大电流所感应的磁场分流到检测气隙中已是比较小，这样，霍尔器件处于检测零磁通时所需要的用于抵消检测气隙中磁场的作用于补偿线圈上的电流就不需要很大，使得超大电流检测成为可能，经过固定的数学关系的换算，就能准确地换算出所检测的大电流的电流值。
这里，为了保证组件工作在线性状态，主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率。
流过检测窗口的原边电流I1与补偿线圈的电流I2的关系如下式所示：
(N1×I1)/(δ3/δ2)＝N2×I2
式中：N1为原边线圈的匝数；
N2为补偿线圈的匝数；
δ3/δ2为比例系数，δ3为检测气隙间距，δ2为分流气隙间距。
本发明的超大电流霍尔检测装置是这样实现的，包括固定支架、由两个相对设置在支架上的山字形软磁体构成的日字形软磁体磁芯、补偿线圈、霍尔器件、包括带有毫伏电压放大及电流信号输出的电路部分，相对的两个山字形软磁体的由上往下正对着的端头间的间隙依次是主气隙、分流气隙、检测气隙，两补偿线圈设置在检测气隙两边的软磁体上，霍尔器件的控制信号输出与电路部分的控制信号输入相连，电路部分的电流输出与两补偿线圈的电流输入相连。工作时，使需要检测的大电流经过主气隙、分流气隙间的磁环窗口，当检测气隙中的磁通不为零时，位于检测气隙内的霍尔器件会产生一电信号，驱动电路部分的功率管输出补偿电流到补偿线圈上产生一与检测气隙中的磁通相反的磁通，直至检测气隙中的磁通为零，此时，通过电路部分的电流信号输出就能获得补偿电流的值，然后通过公式(N1×I1)/(δ3/δ2)＝N2×I2就能获得需要检测的大电流的值，式中N1为原边线圈匝数(即为被检测电流的匝数，通常为1)；I1为被检测大电流；δ3/δ2为检测气隙与分流气隙之比；N2为补偿线圈匝数；I2为补偿电流(即输出电流)。由于通过调整检测气隙与分流气隙，使检测气隙与分流气隙之比达到数倍甚至拾数倍，这样，就能大幅度地减少补偿线圈匝数，在相同线径的情况下就能大幅度地降低补偿线圈的电阻，从而保证在标准电源电压及小的功耗同体积下，使得本装置能以标准的输出电流检测到超大的电流。
这里，为了保证工作在线性状态，主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率。
本发明与已有技术相比，由于采用了磁分流的技术，因此，具有能检测大电流的且线性度高、检测精度高的优点。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为电路控制图。
具体实施方式：
现结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：
本发明的超大电流霍尔检测方法是这样实现的，将大电流通过由上到下依次带有主气隙、分流气隙、检测气隙的日字形软磁体磁芯的上面的窗口，位于检测气隙两边的磁芯上设置有补偿线圈，在检测气隙中设置霍尔器件并将霍尔器件所检测到的电压通过带有功率管的电路产生一补偿电流作用在补偿线圈使其所产生的磁通方向与被检测电流在气隙中产生的磁通方向相反，通过检测位于检测气隙中的霍尔器件处于检测零磁通时所需的补偿电流来获取计算大电流的电流值的信息，继而获得大电流的电流值。
这里，为了保证组件工作在线性状态，主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率。
如图所示，本发明的超大电流霍尔检测装置是这样实现的，包括支架1、由两个相对设置在支架1上的山字形软磁体2构成的日字形软磁体磁芯3、补偿线圈4、霍尔器件5、包括带有毫伏电压放大及电流信号输出的电路部分6，相对的两个山字形软磁体2的由上往下正对着的端头间的间隙依次是组件气隙δ1、分流气隙δ2、聚集气隙δ3，两补偿线圈4设置在聚集气隙δ3两边的软磁体2a上，霍尔器件5设置在聚集气隙δ3中，霍尔器件5的控制信号输出与电路部分6的控制信号输入相连，电路部分6的电流输出与两补偿线圈4的电流输入相连。
主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率。
Claims (2)
1.一种超大电流霍尔检测方法，其特征在于将大电流通过由上到下依次带有主气隙、分流气隙、检测气隙的日字形软磁体磁芯的上面的窗口，位于检测气隙两边的磁芯上设置有补偿线圈，在检测气隙中设置霍尔器件并将霍尔器件所检测到的电压通过带有功率管的电路产生一补偿电流作用在补偿线圈使其所产生的磁通方向与被检测电流在气隙中产生的磁通方向相反，通过检测位于检测气隙中的霍尔器件处于检测零磁通时所需的补偿电流来获取计算大电流的电流值的信息，继而获得大电流的电流值，主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率，
流过检测窗口的原边电流I1、即被检测的大电流与补偿线圈的电流I2的关系如下式所示：
(N1×I1)/(δ3/δ2)=N2×I2
式中：N1为原边线圈的匝数；
N2为补偿线圈的匝数；
δ3/δ2为比例系数，δ3为检测气隙间距，δ2为分流气隙间距。
2.一种超大电流霍尔检测装置，其特征在于包括固定支架、由两个相对设置在支架上的山字形软磁体构成的日字形软磁体磁芯、补偿线圈、霍尔器件、包括带有毫伏电压放大及电流信号输出的电路部分，相对的两个山字形软磁体的由上往下正对着的端头间的间隙依次是主气隙、分流气隙、检测气隙，两补偿线圈设置在检测气隙两边的软磁体上，霍尔器件的控制信号输出与电路部分的控制信号输入相连，电路部分的电流输出与两补偿线圈的电流输入相连，主气隙间距δ1应满足以下条件：
B≈H×μ0×S1/δ1≤B0
式中：B为组件主磁路磁感应强度；
B0为霍尔元件最大线性磁感应强度；
H为被检测电流安匝数；
S1为主气隙截面积；
μ0为空气磁导率。
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