闭环霍尔电压传感器增益温漂补偿技术

王庆欢 郑良广 郑华雄 任浩

宁波中车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021

0 引言

电力监控系统是轨道交通、工业控制和新能源等领域实现智能化的重要一环。电力监控系统检测和测量的主要电量参数是电压和电流。电压检测方法分为非隔离检测和隔离检测，其中，隔离检测法主要包括闭环霍尔电压传感器、光耦隔离电压传感器、磁通门电压传感器、无源电压传感器和数字隔离电压传感器等。

闭环霍尔电压传感器作为传统的磁隔离式电压传感器，在测量精度和隔离电压方面一直表现不错，基本误差小于0.7%，线性度小于0.1%，但在2 kV 以上电压测量领域，随着线圈匝数不断增加，线圈绕制的成本增加、产品体积增加、动态特性变差、原边功耗增加、增益温漂变大等问题逐渐凸显出来。

本文通过设计一种温漂补偿电路，实现对闭环霍尔电压传感器的增益温漂补偿。

1 闭环霍尔电压传感器简介

闭环霍尔电压传感器是基于霍尔效应的传感器。

霍尔效应是存在于导电材料中的电流和磁场相互作用下产生电动势的效应[1-3]。如图1 所示，在半导体材料的两端通一定的电流Ic，在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直电流和磁场的方向上将产生电势差为VH的霍尔电压，霍尔电压VH与霍尔电流Ic及磁感应强度B的乘积成正比，即：

式中，K=RH/d，K称为灵敏度，RH称为霍尔系数，由半导体材料的性质决定，d为半导体材料的厚度。

闭环霍尔电压传感器工作原理如图2 所示，为了提高精度和抗外界磁场干扰能力，一般会采用铁芯聚磁，铁芯形状一般为圆形或方形，铁芯需要开气隙，霍尔元件处于气隙中并垂直于磁路方向。通过原边电阻Rp将被测电压Vp转化为被测电流Ip，被测电流Ip流过原边线圈在铁芯中产生的磁场使霍尔元件产生霍尔输出电压VH，经过放大电路放大后，驱动次边线圈（运放驱动能力有限，一般需要使用功率管增加驱动能力），产生输出电流Is，输出电流Is流过次边线圈在铁芯中产生的磁场抵消被测电流Ip产生的磁场，使铁芯处于零磁通状态[4-6]，原边线圈和次边线圈均绕制在铁芯上。因此，输出电流Is与被测电压Vp成正比，即：

其中，Np——原边线圈匝数；

Ns——次边线圈匝数。

2 增益温漂问题

实际工程应用中，闭环霍尔电压传感器的原边线圈并不是理想线圈，其阻值为RL，同时在原边线圈两端并联有保护电阻R2。

原边等效电路如图3 所示，被测电流Ip分为I2和IL两部分，而IL为流过原边线圈的电流。根据欧姆定律计算出：

闭环霍尔电压传感器的原边线圈通常使用的是铜质漆包线，温度系数约为0.39%/℃，而闭环霍尔电压传感器的工作范围一般为-40 ～+85 ℃，因此，线圈阻值RL在全温度范围内漂移量可达48.75%，根据公式（3），线圈阻值RL的漂移导致闭环霍尔电压传感器增益的漂移。

以常见的2,000 V 闭环霍尔电压传感器为例，Vp=2,000 V，Np/Ns=20,000:2,000，R2=220 k，Isn=50 mA。

常温（+25 ℃）时，原边线圈阻值RL=8 kΩ，Is=50 mA，根据公式（3）、（4）计算，IL0=5 mA，R1=378 kΩ。

当温度为-40 ℃时，RL=8 kΩ×(1+0.39%)-40-25=6.21 kΩ，R1=378 kΩ，R2=220 kΩ，代入公式（3）可得，IL=5.065 mA，增益温漂为G=(IL-IL0)/IL0×100%=1.3%。

当温度为+85 ℃时，RL=8 kΩ×(1+0.39%)85-25=10.1 kΩ，R1=378 kΩ，R2=220 kΩ，代入式（3）可得，IL=4.934 mA，增益温漂为G=(IL-IL0)/IL0×100% =-1.3%。

利用仿真工具对全温度范围内RL阻值变化及线圈电流IL变化进行计算，分别如图4、图5 所示。

综上， 上述2,000 V 闭环霍尔电压传感器在-40 ～+85 ℃温度范围内的增益温漂为±1.3%。

3 增益温漂补偿电路

由于RL的温度系数为正，需选用负温度系数的热敏电阻进行补偿，而热敏电阻温度系数一般为指数级，很难与RL的温度系数匹配。为了实现温度系数的匹配，本文采用普通金属膜电阻与热敏电阻并联的形式，增益温漂补偿电路如图6 所示。为了扩展温度范围，采用两个补偿单元相串联。补偿单元1 由普通电阻Rs1 与热敏电阻Rn1 并联而成；补偿单元2 由普通电阻Rs2 与热敏电阻Rn2 并联而成，Rn1 阻值较小，Rn2 阻值较大，在高温时，Rn1 阻值几乎为0，主要由补偿单元2 发挥温度补偿作用；在低温时，Rn2 阻值远大于Rs2，补偿单元2 阻值近似为Rs2，主要由补偿单元1 发挥补偿作用。

不同补偿单元各自在对应温度区间发挥补偿作用，可以实现在很宽温度范围内获得理想的补偿效果。例如，按如下参数设置补偿单元：

补偿单元1：Rs1 为普通电阻，阻值为2.5 kΩ，Rn1为负温度系数热敏电阻，阻值为0.22 kΩ（@25 ℃），B常数为3,500 K，利用仿真工具计算补偿单元1 的线性补偿区间为-65 ～+20 ℃，如图7 所示。

补偿单元2：Rs2 为普通电阻，阻值为2.7 kΩ，Rn2 为负温度系数热敏电阻，阻值为6.8 kΩ（@25 ℃），B常数为3950 K，利用仿真工具计算补偿单元2 的线性补偿区间为-5 ～+100 ℃，如图8 所示。

将补偿单元1 与补偿单元2 串联组成增益温漂补偿电路，利用仿真工具计算线性补偿区间为-65～+100 ℃，从而实现了线性补偿区间的扩展，如图9 所示。

另外，与单纯采用热敏电阻补偿的技术相比，该增益温漂补偿电路还具有限制热敏电阻功耗和电压的作用。

以补偿单元1 为例，热敏电阻Rn1 的功耗为：

热敏电阻Rn1 的电压为：

因此，当线圈组件中通以一定电流I时，在-40 ～+85 ℃温度范围内，热敏电阻Rn1 的功耗和电压均可控，不会因为过热或过压损坏，从而保证了可靠性。

4 计算与仿真

根据热敏电阻技术手册，温度为T时，热敏电阻阻值大小为：

其中，Rn0——热敏电阻在+25 ℃的阻值；

B——热敏电阻的B常数。

增加补偿电路后，线圈组件的阻值为：

根据公式（7）、（8），利用仿真工具计算出能达到较理想补偿效果的参数组合。

以上述2,000 V 闭环霍尔电压传感器为例，经过仿真工具计算得出，Rs1、Rs2、Rn1、Rn2 按以下参数取值时，可实现较理想的补偿效果。

Rs1=2.5 kΩ，Rn1 为NTC 热 敏 电 阻， 阻 值 为0.22 kΩ（@25 ℃），B常数为3500 K；

Rs2=2.7 kΩ，Rn2 为NTC 热 敏 电 阻， 阻 值 为6.8 kΩ（@25 ℃），B常数为3950 K。

根据公式（7）、（8）得出：

+25 ℃时，线圈组件（带补偿电路）的阻值大小为R=10.13 kΩ；

-40 ℃时，线圈组件（带补偿电路）的阻值大小为R=10.63 kΩ；

+85 ℃时，线圈组件（带补偿电路）的阻值大小为R=10.71 kΩ。

利用仿真工具计算出线圈组件的温度变化曲线如图10 所示。

增加补偿电路后计算该电压传感器的增益温漂：

常温（+25 ℃）时，线圈组件R=10.13 kΩ，被测电流IL0=5 mA，R2=220 kΩ，以R替代RL，由公式（3）得，R1=373 kΩ；

当温度为-40 ℃时，R=10.63 kΩ，R1=373 kΩ，R2=220 kΩ，以R替 代RL，代 入 式（3）可 得，IL=4.979 mA，增益温漂为G=(IL-IL0)/IL0×100%=-0.4%；

当温度为+85 ℃时，R=10.71 kΩ，R1=373 kΩ，R2=220 kΩ，以R替 代RL，代 入 式（3）可 得，IL=4.978 mA，增益温漂为G=(IL-IL0)/IL0×100%=-0.45%。

利用仿真工具计算出线圈电流IL的温度变化曲线如图11 所示。

对比增加补偿电路前的增益温漂（±1.3%）和增加补偿电路后的增益温漂（-0.4%），补偿效果相当理想。

5 试验验证

按照以上参数，试制出8 只增加增益补偿电路的2,000 V 闭环霍尔电压传感器并进行测试，测试数据如表1 ～表3 所示。

由表1 ～表3 数据可知，增加补偿电路后，增益温漂变化的最大值为-0.34%，与理论计算值（-0.4%）一致。

6 结束语

文中通过设计一款增益温漂补偿电路将闭环霍尔电压传感器在-40 ～+85 ℃温度范围内的增益温漂由原来的±1.3%降低至-0.4%，补偿效果明显。

同时，该增益温漂补偿电路的补偿单元中热敏电阻Rn1 在全温度范围内的功耗Pn1≤I2Rs1/4，电压Vn1≤I·Rs1，功耗和电压均可控，从而保证了热敏电阻不会因过热和过压损坏，进而保证了可靠性。

基于该增益温漂补偿电路的闭环式霍尔电压传感器全温度范围内的精度可领先同类传感器0.9 个百分点，已应用于能耗记录等精密电压监测领域。

表1 常温（+25 ℃）数据（单位：mA）

表2 +85 ℃数据（单位：mA）

表3 -40 ℃数据（单位mA）