闭环霍尔电流方案与磁通门电流传感器方案介绍

上文介绍了开环霍尔电流传感器的原理，今天介绍另外两个方案：闭环霍尔方案与磁通门方案。

闭环霍尔电流传感器

下图为前文介绍过的开环霍尔电流传感器的结构图（图片来自于 LEM 官网），待测电流 Ip 建立起磁芯内的磁场后，通过霍尔元件感应出的霍尔电压来测量电流值大小；它对外输出的是一个电压模拟量。

而闭环霍尔电流传感器是基于开环原理（下图来自于网络），然后引入了补偿电路；通过磁芯的有两部分电流：原边待测电流与副边补偿电流；原边待测电流就是指电池流经母线铜排中的大电流，而副边补偿电流是由闭环霍尔电流传感器内部产生的，流经磁芯上的副边线圈。

具体地（下图来自于 LEM 官网），霍尔元件感应出来的霍尔电压并没有直接用于测量，而是霍尔电压通过放大电路后产生了一个副边电流，这个副边电流流过缠绕在磁芯上的线圈，然后通过采样电阻 Rm 流到地。这样的话副边电流也会在磁芯中产生一个磁场，并且设计让这个磁场与原边待测电流产生的磁场方向相反，强度相等，那么总磁通量为 0，即霍尔元件处于 0 磁通的环境中。

接下来，当霍尔元件中的磁通为 0 后，就会得到如下公式，通过测量 Is，即可得到 Ip；Ns 一般为 1000~5000，Is 一般为 25mA~300mA 左右。

磁通门电流传感器（Fluxgate）

磁通门电流传感器才是我们经常遇到的产品，如 LEM 的 CAB 系列。

磁通门电流传感器又可以分为几种，如下图所示（图片来源 LEM 官网）：例如标准型、C-type、IT-type、低频型等，这里介绍比较基本的标准型磁通门原理。

标准型的磁通门电流传感器结构很类似闭环霍尔结构，如下图所示（图片来源于网络），只是在磁芯的气隙处放置的不是霍尔元件，而是一个磁通门的传感器，即可饱和电感。

具体地，在结构上同样有原边待测电流 Ip（母线中电流），副边反馈电流 Is（副边线圈中），同样地，只要让气隙中的总磁通量为 0，根据下式可以计算出 Ip：

此方案的原理框图如下（来源于 LEM 官网），前面我们知道了计算电流 Ip 的方法，即调节副边电流 Is，使得气隙处的总磁通量为 0，即可得出 Ip；那么，我们怎么实时检测气隙处的磁通量，然后调节磁通量为 0 呢？

这里在气隙处应用了可饱和电感作为探头来识别气隙处的磁通量（下图来源于 LEM 官网），它是由磁芯与线圈组成的电感探头。

进一步地，气隙处的磁通量大小会影响这个探头的电感量（探头的电感量是受外部磁场影响而变化的），我们只要区别出磁通量为 0 时的电感大小与磁通量不为 0 时的电感大小即可。

那么怎么来识别不同磁通量下的电感大小呢？

一种方案是，在电感探头的线圈中通过一个电流 Isi（两端施加一个电压源 u(t)），它产生的磁通与外部气隙的总磁通（包括了 IpIs 二者引起的磁通）叠加后作用于电感探头的磁芯上，这个累加后的磁通量会影响电感探头的感量，而电感量与电流大小又相关，所以只要知道 Isi 的电流怎么受到气隙处的磁通影响就 OK 了。

省略中间的一些理论性的分析过程，当气隙处的总磁通量为 0 时，电感探头中的电流如下图，其中虚线代表施加在探头两端的方波电压 u(t)，实线为电流值 i(t)。

当气隙处的总磁通量不为 0 时，电感探头中的电流波形如下图：所以我们通过检测这个电流值，就可以等效判断出气隙处的总磁通量是否为 0，然后通过调整副边线圈中的电流 Is，来使得气隙处的总磁通量为 0。

总结：

在分析过程中可能省略了一些过程的推导，但整个表述的逻辑是严谨的，大家可以自行查找一下更深入的解释；以上所有，仅供参考。