测功率霍尔传感器设计分析

测功率霍尔传感器设计分析

作者：张劲松

来源：《现代商贸工业》2009年第16期

摘要:根据霍尔元件的工作原理,设计出利用霍尔元件测量电功率的霍尔传感器,根据霍尔元件传感器设计原理和性能指标,设计出所要利用的霍尔元件的材料、尺寸,预测其能达到的效果;确定产生使霍尔元件工作的磁场螺线圈,并指出霍尔元件可能产生的误差及所进行补偿措施。

关键词:功率;霍尔元件;传感器

中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)16-0271-02

1 霍尔功率变换器的设计原理

由霍尔元件的工作原理可知,霍尔电势与B、I的乘积成正比,若能把功率P=UI中的转化UI为B、I的乘积,则可以通过测量出UN的大小来计算出P的大小,霍尔功率变换器就是根据这一思路设计的。霍尔功率变换器中通过霍尔元件两端的电流由负载电压及所串电阻R决定,电磁感应强度B由串联与负载上的线圈产生,其大小与负载电路中的电流成正比。原理图如图1所示。

有一固定线圈串联连接于负载,故其所产生的磁场将比例于负载电流霍尔元件并联连接于负载端,流过的电流正比于负载电压.最终,在霍尔元件的a-b之间霍尔电压将正比于负载电流与电压乘积的瞬时值.在正弦交流电路中,电压电流相量分别为它们之间相位差为则:

为电路转换系数,

则

由(1)(2)(3)得-

其中为霍尔元件的灵敏度系数为电路转换系数为线圈产生磁感应强度的常数。

滤掉二次谐波后输出的电压

与网络的有功功率成正比,电能为

2 霍尔元件尺寸的确定

霍尔电势不但与材料的电阻率和迁移率有关,而且还与材料的几何形状和尺寸有关。一般

要求霍尔元件的灵敏度越大越好,霍尔元件的灵敏度与厚度成反比。因此,厚度越薄,灵敏度越高。但也并不是越薄越好,因为元件减薄后,输出和输入阻抗将很大,这就必须降低激励电流,否则元件的功耗很大,并引起温升,对器件工作非常不利。当霍尔元件的宽度w加大,或1/w减小时,载流子在偏转过程中的损失将加大,通常要对霍尔电势进行修正:

式中f(1w)为形状效应系数,其修正值(12)如表1。

可以看出,当1w 大于3时,f(1w)内趋近1这时电流控制极的短路效应的影响几乎不存在了,因此,实际设计霍尔翼件时,考虑到加工的难易程度和机械强度,长宽比1w 一般取2-2.5就足够了,如果1w 取得过大,反而使霍尔器件的输出电阻变大,增加输入功耗,降低输出效率。

国产霍尔片尺寸一般为也是本文所选霍尔片的尺寸。

3 霍尔元件材料的确定

3.1 霍尔元件材料的选取依据

霍尔元件是霍尔传感器的核心敏感部件。

由于材料的电阻率P与载流子的浓度和迁移率有关,即:

ρ=1nμq(8)

根据(2)(3)式有

霍尔系数反映了材料的霍尔电动势的强弱。要想获得较强的霍尔电势,就要求半导体材料的电阻率和载流子的迁移率都要大。

一般金属材料的载流子的迁移率很大,但自由电子浓度n很高,使电阻率很小,霍尔系数也很小,使输出H极小,不宜作霍尔元件,如的而霍尔系数却很小约为--2/c左右;绝缘体的电阻率很高,但载流子的浓度很低:只有半导体材料才是理想的霍尔效应器件材料。

3.2 制作霍尔元件的半导体材料

常用制作霍尔元件的半导体材料及其性能参数(13)见表2。

从表中我们可以看到锑化铟材料所具有的μρ和μ值为所有半导体材料中最大的。然而锑化铟的禁带宽度很小,本征激发强,故温度性能比不上锗、砷化铟。锗材料的μ值虽不大,但其

μρ(霍尔系数)值较大,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好因此是一种常用的材料。硅的线性度较好,其霍尔系数、温度性能同N型锗,但其电子迁移率比较低,带负载能力较差,通常不用作单个霍尔元件。砷化铟的μρ较小,温度系数也较小.砷化镓的灵敏度比锑化铟低,但温度特性好,能在较宽的温度范围内工作,并且线性度较好,但价格昂贵。

根据表2中所列半导体参数分析,选择锗作为霍尔元件的材料。将所选取材料用陶瓷或环氧树脂或硬橡胶进行封装。锗(Ge)霍尔元件的输出特性如图2所示:

4 产生磁场的螺线管的确定

在密绕的无限长螺线管内部的空间里磁场都是均匀的,其磁感应强度B的大小为:

式中为真空磁导率等于-韦伯/(安培•米),n是单位长度上的匝数,I为螺线管线圈的激励电流,单位为安培;磁感应强度B方向与轴线平行。对于已确定的线圈为一常数,称此常数为磁感应强度常数

对于有限长的螺线管来说,其半径为R,长度为L,只要也近似适用。在此,取螺线管长为用线径为的铜漆包线缠绕 1000匝,线圈内径大约左右,制成的线圈满足L>>R,单位长度上的匝数为则产生的磁感应强度的常数为:

-

5 霍尔元件的误差及其补偿

由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素,如元件安装不合理、环境温度变化等,都会影响霍尔元件的转换精度,带来误差。主要是从霍尔元件的零位误差及其补偿和霍尔元件的温度误差及其补偿。

参考文献

单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999:46-49.

黄得星,等.磁敏感器件及其应用[M].北京:科学出版社,1987:2-40.