閉環(huán)霍爾電流方案與磁通門電流傳感器方案介紹

上文介紹了開環(huán)霍爾電流傳感器的原理，今天介紹另外兩個(gè)方案：閉環(huán)霍爾方案與磁通門方案。

閉環(huán)霍爾電流傳感器

下圖為前文介紹過的開環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)圖（圖片來自于 LEM 官網(wǎng)），待測電流 Ip 建立起磁芯內(nèi)的磁場后，通過霍爾元件感應(yīng)出的霍爾電壓來測量電流值大??；它對外輸出的是一個(gè)電壓模擬量。

而閉環(huán)霍爾電流傳感器是基于開環(huán)原理（下圖來自于網(wǎng)絡(luò)），然后引入了補(bǔ)償電路；通過磁芯的有兩部分電流：原邊待測電流與副邊補(bǔ)償電流；原邊待測電流就是指電池流經(jīng)母線銅排中的大電流，而副邊補(bǔ)償電流是由閉環(huán)霍爾電流傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的，流經(jīng)磁芯上的副邊線圈。

具體地（下圖來自于 LEM 官網(wǎng)），霍爾元件感應(yīng)出來的霍爾電壓并沒有直接用于測量，而是霍爾電壓通過放大電路后產(chǎn)生了一個(gè)副邊電流，這個(gè)副邊電流流過纏繞在磁芯上的線圈，然后通過采樣電阻 Rm 流到地。這樣的話副邊電流也會(huì)在磁芯中產(chǎn)生一個(gè)磁場，并且設(shè)計(jì)讓這個(gè)磁場與原邊待測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，強(qiáng)度相等，那么總磁通量為 0，即霍爾元件處于 0 磁通的環(huán)境中。

接下來，當(dāng)霍爾元件中的磁通為 0 后，就會(huì)得到如下公式，通過測量 Is，即可得到 Ip；Ns 一般為 1000~5000，Is 一般為 25mA~300mA 左右。

磁通門電流傳感器（Fluxgate）

磁通門電流傳感器才是我們經(jīng)常遇到的產(chǎn)品，如 LEM 的 CAB 系列。

磁通門電流傳感器又可以分為幾種，如下圖所示（圖片來源 LEM 官網(wǎng)）：例如標(biāo)準(zhǔn)型、C-type、IT-type、低頻型等，這里介紹比較基本的標(biāo)準(zhǔn)型磁通門原理。

標(biāo)準(zhǔn)型的磁通門電流傳感器結(jié)構(gòu)很類似閉環(huán)霍爾結(jié)構(gòu)，如下圖所示（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)），只是在磁芯的氣隙處放置的不是霍爾元件，而是一個(gè)磁通門的傳感器，即可飽和電感。

具體地，在結(jié)構(gòu)上同樣有原邊待測電流 Ip（母線中電流），副邊反饋電流 Is（副邊線圈中），同樣地，只要讓氣隙中的總磁通量為 0，根據(jù)下式可以計(jì)算出 Ip：

此方案的原理框圖如下（來源于 LEM 官網(wǎng)），前面我們知道了計(jì)算電流 Ip 的方法，即調(diào)節(jié)副邊電流 Is，使得氣隙處的總磁通量為 0，即可得出 Ip；那么，我們怎么實(shí)時(shí)檢測氣隙處的磁通量，然后調(diào)節(jié)磁通量為 0 呢？

這里在氣隙處應(yīng)用了可飽和電感作為探頭來識(shí)別氣隙處的磁通量（下圖來源于 LEM 官網(wǎng)），它是由磁芯與線圈組成的電感探頭。

進(jìn)一步地，氣隙處的磁通量大小會(huì)影響這個(gè)探頭的電感量（探頭的電感量是受外部磁場影響而變化的），我們只要區(qū)別出磁通量為 0 時(shí)的電感大小與磁通量不為 0 時(shí)的電感大小即可。

那么怎么來識(shí)別不同磁通量下的電感大小呢？

一種方案是，在電感探頭的線圈中通過一個(gè)電流 Isi（兩端施加一個(gè)電壓源 u(t)），它產(chǎn)生的磁通與外部氣隙的總磁通（包括了 IpIs 二者引起的磁通）疊加后作用于電感探頭的磁芯上，這個(gè)累加后的磁通量會(huì)影響電感探頭的感量，而電感量與電流大小又相關(guān)，所以只要知道 Isi 的電流怎么受到氣隙處的磁通影響就 OK 了。

省略中間的一些理論性的分析過程，當(dāng)氣隙處的總磁通量為 0 時(shí)，電感探頭中的電流如下圖，其中虛線代表施加在探頭兩端的方波電壓 u(t)，實(shí)線為電流值 i(t)。

當(dāng)氣隙處的總磁通量不為 0 時(shí)，電感探頭中的電流波形如下圖：所以我們通過檢測這個(gè)電流值，就可以等效判斷出氣隙處的總磁通量是否為 0，然后通過調(diào)整副邊線圈中的電流 Is，來使得氣隙處的總磁通量為 0。

總結(jié)：

在分析過程中可能省略了一些過程的推導(dǎo)，但整個(gè)表述的邏輯是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，大家可以自行查找一下更深入的解釋；以上所有，僅供參考。