摘要：针对常规工频大电流传感器产品精度低、测量范围小、非线性、易饱和的问题，提出了使用开合式开环霍尔传感器进行高精度工频大电流测量的设计方法。该方法涉及产品磁芯设计、结构设计、电路设计、抗干扰及数学模型等方面。将其应用于低功耗、小型智能化电网产品开发中，产品精度可提升至0.2 级。
关键词：精度因素；开合式；模拟补偿；软件补偿；磁芯结构
0 引言
随着国家电网公司提出“泛在物联网”的理念，传统的模拟电量传感器被模拟数字合在一起的智能化传感器取代。主要应用于电压等级为400v~1000v的用户侧，如电网配电部门低压智能监测以及家用智能电器电量监测。使用开合式开环霍尔传感器是实现结构小型化、简单化、低功耗的最佳选择，但是其特殊结构使得电流精度不高。本文从开环传感器设计的几个关键因素分析了提高其精度的方法，介绍了一种经过一系列补偿的开环霍尔传感器，可以实现：批量生产一致性好，结构小型化、简单化，长期存放和运输条件下不变形；在-40℃~85℃下以及0.1A~4000A交流电流测量保持0.2%精度，消除磁滞回线和铁芯饱和带来精度误差的因素，满足价格低、低功耗，功能一体化的设计要求。
1 开环霍尔传感器原理
当有电流流过霍尔薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件。
1.1开环霍尔传感器原理
霍尔传感器根据检测原理可划分为开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器。开环又称直测式，其工作原理如图 1所示。将霍尔器件安装在开有气隙的软磁环中，原边电流 Ip 产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号 VH，电压信号经过放大器放大后精确地反映原边电流大小。根据推导[3]，当l1/μ1μ0<< l2/μ0 时，霍尔电势 VH 可等效为
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其中：μ1为软磁材料磁导率；l1为磁环长度；l2为气隙长度；N为输入电流穿心匝数。
1.2 开环霍尔传感器优点
针对电网超小型智能化产品，要同时具备工频计量和故障时大电流测量，适用于电磁环境恶劣的安装现场，开环霍尔电流传感器为首选。
首先开环的霍尔电流传感器，原理简单，结构易于处理，由于对安装空间有一定要求，开环能满足安装空间狭小的情况；其次开环原理霍尔电流传感器的耐冲击电流更大，特别是在四十倍的冲击电流也不会对传感器造成损坏,当超过测量范围，也不会发生充磁现象；再有开环的功耗，接近于恒定，电流输出型,基本保持在10MA左右,可以和MCU共享电源,在对功耗要求比较高的场合只能使用开环;最后开环的电流传感，小切口，小尺寸，但是测量电流可以很大，满足对故障时大电流测量的要求。
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图 1 开环霍尔电流传感器原理
2 影响霍尔传感器精度分析
2.1 开环霍尔传感器精度因素
影响传感器精度的主要因素在于磁芯固定部分，外壳开模要充分考虑安装情况；穿心线位置是开合式开环霍尔传感器误差主要原因，居中安装设计要考虑影响开环霍尔传感器精度的因素主要有[1]霍尔元件本身精度、寄生直流电势、不等位电势、温度影响及磁干扰等。文献[2]介绍了不等位电势产生的原因，主要由霍尔器件本身材料、制造材料及结构特点决定。文献[3]介绍了利用二极管进行霍尔驱动电流补偿。该方法补偿了霍尔器件霍尔电势系数带来的误差，补偿效果主要取决于霍尔器件与半导体器件漂移的一致性。
2.2 开合式开环霍尔传感器精度因素
开合式开环霍尔传感器采用开环或闭环原理设计，影响开合式开环霍尔传感器的主要因素有霍尔器件失调、霍尔器件灵敏度、磁芯材料、温度影响及地磁干扰等。另外，由于开合式原理的特殊结构，磁芯及外壳的综合设计是影响开合式开环霍尔传感器位置及精度误差的另一因素。
3 高精度开合式开环硬件设计
按照上述分析，影响霍尔传感器精度的主要因素有磁芯磁滞误差(零点误差)、穿心线位置误差、霍尔器件温度漂移及磁场干扰等。开环霍尔传感器综合考虑以上因素，是能够做到精度为0.2级。几下面仅以开环开合式霍尔电流传感器设计为例，简单介绍提高其精度的几种方法。
3.1 霍尔器件选择
由公式 (1) 可知，影响霍尔器件灵敏度的主要因素有霍尔材料灵敏度、驱动电流、输入电流及磁芯开口。霍尔传感器材料有InSb(锑化铟)、GaAs(砷化镓)、两种。锑化铟价格贵但失调漂移小、灵敏度高，砷化镓高灵敏度略低但高稳定性。由于霍尔器件失调导致的输出偏差是影响霍尔传感器零点输出误差及输出漂移的主要原因，其主要表现在直流分量。灵敏度较高的锑化铟霍尔器件在高灵敏度条件下，霍尔器件失调漂移所占比例小,但是本文设计产品为工频测量，零点输出误差及输出漂移可以通过数字滤波去除，因此选择砷化镓霍尔传感器，利用其高稳定度和较高灵敏度的特点。
3.2 铁芯材料及安装结构
磁芯作为霍尔传感器的主要聚磁器件，直接影响霍尔传感器检测的精度。由式 (1) 可知，为了获得较高的磁感应强度 B，要求磁芯：磁导率 μ1 较高、截面积 S 较大、磁路 l1 短及开口气隙 l2 小。磁芯材料选择高导磁材料，此时磁滞误差最小。当磁芯 l1/μ1( 磁路与磁导率之比)<< 气隙 l2/μ0，可忽略散磁，减小产品输出位置误差对输出精度的影响。对磁芯结构设计要求配对的磁芯尺寸尽量接近，且安装后相对位置误差小，这是减少输入电流穿心线位置及零点输出误差的主要因数。
开合式开环霍尔传感器所采用的磁芯构如图2所示，为减小位置误差，铁芯上下半环要求对称，使得铁芯的切口面完全契合，不产生错位；为适于大电流测量且易于饱和补偿，要求切口距离为合适，按照图3(1)的B-H曲线中的A曲线的形状选择。图2开合式开环磁芯结构尺寸为实际验证后的铁芯尺寸，该尺寸可以适用于交流4000A的高精度测量。
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图 2 开合式开环磁芯结构
3.3 线路板设计
文献[4]介绍了辐射对半导体磁敏器件性能影响的研究，文中提出对霍尔器件进行辐射会不同程度地影响器件电磁性能。为了减少传感器测试干扰误差，需减少干扰对产品的影响。产品设计需考虑：1) PCB 设计避免回路走线；2) 考虑适当屏蔽、接地及滤波技术；3) 减少传感器内部引线长度；4) 适当增加 EMC 防护技术等。
4 高精度开合式开环软件设计
4.1 铁磁起始磁化及原付边电流曲线
铁磁性物质从磁感应强度B=0、磁场强度H=0开始磁化，所绘制出的B-H曲线为起始磁化曲线，如图3(1)曲线A所示。oa段，随着H的增大，B急剧增大,ab段，若H继续增大,B的增大减慢,饱和段,b点以后，再增大H，B增大得很小，曲线上的a点、b点称为膝点、饱和点。
通过铁磁起始磁化曲线可以得到对应的原付边电流曲线如图3(2)所示，图中C为实测原付边电流曲线，其中O1段为微小电流；12段为小电流，非线性曲线；23段为中等电流，线性曲线；34段为大电流，欠饱和曲线，45段为饱和曲线。4对应膝点，5对应饱和点。
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图 3 铁磁起始磁化及电流曲线
4.2 低电流线性补偿曲线
图3(2)曲线B为近似曲线C的虚拟直线，设其方程式为y=kx,在曲线C12段，简化为一条与虚拟直线相同斜率的直线y=kx+b，其中b为偏移量，对于特定的铁芯和结构，b是常数。
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4.3 饱和电流一元二次补偿曲线
图3(2)曲线C34段为欠饱和段，为计算方便，采用一元二次拟合曲线
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图3(2)曲线C和D为以3为原点的双曲线，公式中a、b、c为拟合曲线的一元二次方程系数，为常量，x为原边电流，y为付边电流。
根据测量的付边电流，代入(3)，可得校准后的实际原边电流。
4.4 设计案例
表1：实测电流数据
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由表1知5300A为膝点，6000A为饱和点，根据在原边通过的正向和反向直流，得到正向和反向模拟输出电压值，按照公式(3)用matlab拟合出该曲线，再转化为采样离散值，对应的a=0.000076314,b=0.152,c=7.4562。这样在每次采样到电流数值后，按照公式(3)代入a,b,c,直接得到原边实际电流值。
5 结束语
笔者从霍尔传感器开合式开环原理入手，论述了影响测试精度的多种可能因素，并从实际的高精度开合式开环霍尔传感器设计着手，介绍了提高其精度的几种软硬件方法。最终将该系列设计方法应用到实际的产品开发过程中，使产品精度到达0.2%,且一致性好。际的产品设计需结合产品的应用环境综合考虑，以开发出满足用户需求的具有高精度及高稳定性的产品。
参考文献
[1] 程序,唐志国,李成榕. 特高频传感器结构参数对其幅频特性的影响[J].电网技术 2006.doi:10.3321/j.issn:1000-3673.2006.15.005
[2] 劳力云. 四端霍尔元件的等效电路模型及其参数推导[J]. 中国计量学院学报, 1994, 7(1): 111-115.
[3] 罗志强, 阳桂蓉, 王进. 霍尔传感器温度补偿电路设计[J]. 兵工自动化, 2014, 33(10): 87-88.
[4] 王军. 辐射对半导体磁敏器件性能影响的研究[D]. 青岛: 中国石油大学, 2007: 50-84.