無鐵芯霍爾芯片檢測穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)電流方法?

岳海波 武 瑾 莊勁武 袁志方 劉路輝

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）（2.艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（海軍工程大學(xué)） 武漢 430033）

1 引言

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，其電力系統(tǒng)［1～3］在運(yùn)行的過程中，遇到了如下瓶頸難題：正常工況下，百米加速可在3s 內(nèi)完成，使得其加速階段的電流可高達(dá)600A 乃至800A，脈寬數(shù)秒。故障工況下，當(dāng)動(dòng)力電池處于低SOC低溫度狀態(tài)時(shí)，短路電流峰值最小僅為數(shù)kA。兩種工況之間極小的電流差異，傳統(tǒng)熔斷器無法兼顧高過載電流沖擊和低短路故障電流快速保護(hù)的需求，而需要使用一種帶電子測控裝置的智能熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)，該電子測控裝置就需要電流傳感器進(jìn)行電流測量［4～8］。

目前研究和應(yīng)用較多的直流大電流檢測方法主要有分流器［9～10］，開環(huán)、閉環(huán)霍爾傳感器［11～13］。然而，分流器用于直流大電流檢測與控制時(shí)，存在體積大，功耗高、缺少電氣隔離等問題。開環(huán)，閉環(huán)霍爾電流傳感器鐵芯易飽和，不能準(zhǔn)確反映瞬間變化的短路大電流，體積較大，造價(jià)高。二者均不適用于混合型熔斷器這種空間有限且需要控制造價(jià)的應(yīng)用場合，因此必須研制新的電流傳感器以滿足混合型限流熔斷器對(duì)電流測控的要求［14～15］。

本文提出使用單個(gè)霍爾芯片直接測量被測電流在空氣中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方案，由于大電流時(shí)銅排周邊能對(duì)傳感器形成大干擾的可能性較小，可以考慮用固定在特殊位置上的單一芯片替代一整圈鐵芯的方法設(shè)計(jì)出主要用于短路保護(hù)的大電流霍爾傳感器。霍爾元件輸出特性僅與導(dǎo)體電流的大小保持線性關(guān)系，當(dāng)導(dǎo)體通以穩(wěn)態(tài)電流或其它任意瞬態(tài)電流，可使得霍爾元件檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小僅與導(dǎo)體電流的幅值相關(guān)與電流瞬態(tài)特性不相關(guān)，據(jù)此本文通過在銅排周圍特定位置布置單霍爾芯片來檢測穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)電流，一方面可以使傳感器的量程達(dá)到數(shù)十kA，帶寬達(dá)到幾百kHz，可以測量故障時(shí)的瞬時(shí)大電流。另一方面，因?yàn)閭鞲衅鳑]有鐵芯所以可以做到只有手掌大小，且重量不大于300g，而且霍爾元件本身已經(jīng)很成熟，價(jià)格比較低廉。單個(gè)霍爾芯片不含鐵芯，所以傳感器的量程、帶寬等特性只和霍爾元件本身的特性有關(guān)，而不會(huì)受到鐵芯直流偏磁、磁滯效應(yīng)、鐵芯易飽和等鐵芯固有性質(zhì)的制約。研究可為電流檢測器件的大量程測量和小型化提供借鑒。

2 混合型熔斷器工作原理

混合型限流熔斷器是將高速開斷器和限流熔斷器相結(jié)合的一種電力系統(tǒng)限流保護(hù)裝置，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的限流保護(hù)技術(shù)［16～18］。

混合型限流熔斷器組成如圖1 所示，主要有觸發(fā)器、火藥開斷器和滅弧熔斷器等構(gòu)成。正常工作時(shí)電流主要由高速開斷器承擔(dān)，通態(tài)損耗低。電子測控單元通過電流傳感器檢測到短路電流，發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，引爆高速開斷器內(nèi)的炸藥，開斷器迅速斷開，迫使短路電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的滅弧熔斷器上，滅弧熔斷器迅速熔斷，從而徹底切斷短路電流。

圖1 混合型限流熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

3 霍爾傳感器檢測原理

霍爾電流傳感器中采用了霍爾效應(yīng)的元件，其中霍爾元件的核心是一塊半導(dǎo)體薄片，如圖2 所示。

圖2 霍爾效應(yīng)原理圖

在半導(dǎo)體薄片兩端通以恒定工作電流I，當(dāng)薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場時(shí)，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電壓差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為

式中：RH為霍爾常數(shù)，m3·C-1；I為控制電流，A；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；d為霍爾元件厚度，m。

由式（1）可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

本文采用線性霍爾元件A1324，無磁場時(shí)輸出2.5V，有正向磁場時(shí)輸出2.5V～4.8V之間的電壓，有反向磁場時(shí)輸出2.5V～0.2V 之間的電壓。A1324靈敏度為5mV/Gs。可測量磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍±460Gs。為便于工程應(yīng)用，將上述半導(dǎo)體薄片集成到一個(gè)霍爾元件的封裝內(nèi)。

4 單霍爾芯片設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的無鐵芯霍爾電流傳感器檢測導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)電流的方法，主要適用于截面為正方形、矩形、橢圓形或其他非圓形形狀的導(dǎo)體中電流的檢測，當(dāng)導(dǎo)體截面為非圓形截面時(shí)，所述導(dǎo)體四周的磁力線分布將隨導(dǎo)體電流特性的變化而變化。

4.1 短路電流幅值判斷的設(shè)計(jì)原理

如圖3和圖4所示，圖（a）、（c）為通入穩(wěn)態(tài)電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖；圖（b）、（d）為通入瞬態(tài)電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，直流電作用下，銅排截面上的電流均勻分布，變化電流作用下，由于感應(yīng)渦流的存在，電流密度分布將呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，內(nèi)表面和中心部分電流密度較小，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要分布在導(dǎo)體外表面上。這主要是因?yàn)閷?dǎo)體加載變化電流產(chǎn)生了集膚效應(yīng)，導(dǎo)致電流趨于導(dǎo)體表面分布。由于集膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)致中心部分電流密度小，電流主要分布在四個(gè)邊角上。在通過的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流相同幅值時(shí)，霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差異。對(duì)于銅排寬厚比確定的銅排來說，其周圍某一固定點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與通過所述銅排的電流大小成對(duì)應(yīng)關(guān)系，在設(shè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，其對(duì)應(yīng)的銅排上通過的電流是確定的。因此可以確定該特定空間位置。

圖3 幅值10kA電流下銅排電流密度分布圖

圖4 幅值10kA電流下銅排磁感應(yīng)強(qiáng)度等值線分布圖

圖5 幅值10kA電流下穩(wěn)/瞬態(tài)交點(diǎn)位置

4.2 霍爾位置確定

由于銅排的寬厚比為100mm/10mm，網(wǎng)格剖分需要很細(xì)，計(jì)算量很大，如果選擇三維模型進(jìn)行仿真，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格剖分失敗的現(xiàn)象。因此選擇二維模型進(jìn)行仿真分析，仿真模型涉及的電磁場問題可由Maxwell 方程微分形式和相應(yīng)的本構(gòu)方程進(jìn)行描述，基本方程如下：

式中，H為磁場強(qiáng)度，A/mB為磁通密度，T；J是電流密度，A/m2；E為電場強(qiáng)度，V/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m；σ為電導(dǎo)率，S/m。

4.3 穩(wěn)瞬態(tài)交點(diǎn)位置

通以穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流（本文以15A/μs 上升率電流為例）相同幅值時(shí)，由仿真結(jié)果可知霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差異，那么需要找到一個(gè)合適的位置，使該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅隨電流幅值大小線性變化。線性霍爾元件A1324 最大可測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度為±460G。設(shè)計(jì)電流傳感器最大量程為10kA，電流幅值在10kA 的條件下，尋找穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)通流下磁感應(yīng)強(qiáng)度為460Gs 的位置。也就是說銅排通以10kA 瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，所述霍爾元件在交點(diǎn)處特定位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為460G。兩條曲線交點(diǎn)坐標(biāo)為（45，18）。

霍爾元件固定在混合型限流熔斷器的銅排上，固定位置為銅排邊緣偏內(nèi)側(cè)5mm，距離銅排表面13mm的高度，安裝位置如圖6所示。

圖6 霍爾芯片安裝位置圖

圖7 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 變比的確定

給矩形銅排通入穩(wěn)態(tài)電流，記錄通流前后霍爾電壓變化，以此計(jì)算出單霍爾芯片電壓/電流的變比。

把試品接入直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源電纜上。為避免實(shí)驗(yàn)過程中霍爾元件位置發(fā)生偏移，實(shí)驗(yàn)中樣品連接線保持不動(dòng)。為確保測量的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中通過反接電流輸入輸出端，達(dá)到正/反向通流，記錄霍爾輸出變化量。

表1 穩(wěn)態(tài)通流下霍爾輸出電壓

由霍爾測量電流原理得，霍爾電壓輸出差值與電流成正比，因此可以計(jì)算出，此處霍爾芯片電壓/電流的變比為1V：5604A。

5.2 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖8 所示為本文使用的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，使用蓄電池組或大電容供電，回路中串接電感以及安置好位置的霍爾元件試品，所有信號(hào)和圖像均輸出到計(jì)算機(jī)。其中電流信號(hào)通過羅氏線圈監(jiān)測，目的是為了檢測放電回路真實(shí)電流，為霍爾元件經(jīng)過變比得到的電流提供比較依據(jù)。為得到15A/μs 上升率的電流，選用電感為53μH，給電容預(yù)充電壓為800V。

圖8 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)電路圖

將在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的兩組不同位置電壓電流靜態(tài)變比1V：5604A 代入Matlab 中繪制波形，得到在15A/μs 瞬態(tài)電流情況下，霍爾檢測到的電流數(shù)據(jù)如圖9。

圖9 單霍爾芯片檢測瞬態(tài)電流示意圖

從試驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的變比帶入霍爾檢測的瞬態(tài)電流中得到的電流，與羅氏線圈檢測的電流結(jié)果誤差僅在3%，在誤差要求范圍內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證了單霍爾芯片檢測穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流方法的正確性。無論通過的電流為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)，只要電流幅值未超過設(shè)定電流時(shí)，所述霍爾傳感器可準(zhǔn)確檢測出此時(shí)的電流大小。

6 結(jié)語

本文針對(duì)混合型限流熔斷器中電流傳感器造價(jià)高，體積大，檢測電流量程小等問題。提出了單霍爾芯片方案。從原理上分析非圓形導(dǎo)體在通以穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流下磁場變化的變化規(guī)律。通過建立有限元仿真模型找到了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況下霍爾元件電流檢測準(zhǔn)確的安裝位置，得到了以下結(jié)論。

1）對(duì)于寬厚比確定的銅排，其外部磁場任何一點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)通流下，該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與電流大小成線性比例關(guān)系。

2）在通過的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流相同幅值時(shí)，霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差的原因是：導(dǎo)體加載變化電流產(chǎn)生了集膚效應(yīng)，銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，導(dǎo)致瞬態(tài)情況下磁場分布發(fā)生了變化。

3）進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，單霍爾芯片測量結(jié)果與羅氏線圈測試結(jié)果誤差僅為3%，有效說明了方案的可行性。