电力电子变流器运行时,功率支路常含有直流偏置分量,若无法检测直流电流,便难以实现对直流的闭环抑制。电磁式电流互感器基于电磁感应原理,仅能感应交变磁通,无法采集直流分量。相较之下,霍尔电流传感器依托霍尔效应,可同时检测直流、交流及交直流复合电流,弥补了电磁互感器的应用短板。由此,现已在各类电力电子变流设备中得到普遍应用。
然而霍尔电流传感器也存在固有缺陷:一是霍尔元件需布置在磁芯气隙处,杂散磁场极易侵入磁路引入误差;二是霍尔元件输出原始电压仅毫伏级,必须依靠运算放大器做增益放大。微弱的有效信号在放大环节中,空间耦合电磁干扰、电源噪声会同步被抬升,进一步恶化采样精度。
综上,对比闭合铁芯的电磁式互感器,霍尔传感器整体抗干扰性能略差。
1、霍尔效应
当一个导体通过磁场时,垂直磁场方向和电流方向的分量会产生电荷分离,从而导致两侧电位差的出现。这种现象被称为霍尔效应。

如上图,导体上施加Is电流,由下向上的磁场B。在该磁场中,载流子受到洛伦兹力(洛伦兹力是指带电粒子在磁场中运动时受到的磁场作用力)的作用,向着左右两边偏移,由此形成平行的电场E。当载流子受到的洛伦兹力与电场力平衡后,在导体左右两侧会形成电势差。这就是霍尔效应。
该电势差一般极小,仅mV级别,只有经过放大之后才能被使用。

2、霍尔电流互感器
霍尔电流传感器通常由磁路结构、霍尔元件和输出电路三部分组成。
- 磁路结构:磁路结构主要用于控制磁场的分布,并将其传递到霍尔元件中。磁路结构通常由铁芯、磁场调节元件和磁场屏蔽元件组成。其中铁芯用于导引磁场线,磁场调节元件用于调整磁场强度和方向,而磁场屏蔽元件则用于减小外部磁场的干扰。
- 霍尔元件:霍尔元件是传感器的核心部分,它通常由一块霍尔晶片组成。霍尔元件具有特殊的半导体结构,其中包含有电流输送区、霍尔作用区和电压测量区。当有电流通过传感器时,霍尔作用区会受到洛伦兹力的作用,从而引起霍尔电势。
- 输出电路:输出电路用于测量和放大霍尔电势,并将其转换为电流或电压信号。输出电路通常由运算放大器、滤波电路和放大电路组成。通过输出电路的处理,可以得到与输入电流成正比的电压信号,从而实现对电流的测量
3、抗干扰措施
圆柱电抗器采用大气隙开口磁路结构,具备优异的电感线性度,电感参数几乎不受工作电流波动影响,能够有效保证电力电子变流器LCL滤波器参数稳定、滤波性能可靠。但也正因电抗器磁路气隙大、磁通无法完全闭合,运行过程中会产生大量向外辐射的杂散漏磁场。霍尔电流传感器属于高灵敏度磁敏器件,对空间杂散磁场极为敏感,极易受电抗器漏磁叠加干扰,造成采样波形低频畸变、测量幅值偏移等精度问题。
圆柱电抗器漏磁带来的低频磁场干扰多会造成互感器输出信号低频畸变、甚至幅值波动,对此可采用如下三项优化措施:
- 严格控制安装距离,工程上规定电抗器1.5倍外径范围内不宜布置霍尔传感器,高精度测量场景需预留2倍外径的安全间距,从源头削弱漏磁影响;
- 优化传感器安装方位,使霍尔芯片的磁通敏感方向与电抗器漏磁主方向相互正交,大幅降低磁场耦合误差;
- 增设磁屏蔽结构,采用坡莫合金、硅钢等高导磁材料制作屏蔽罩,或在电抗器与传感器之间加装磁隔离挡板,有效阻断漏磁传播路径。
除空间低频漏磁干扰外,霍尔传感器内部放大电路易受电磁噪声影响,引发采样波形高频畸变。为此,需通过电路与布线优化抑制高频干扰:
- 一是在传感器供电引脚就近并联0.1μF陶瓷电容与10μF电解电容,有效抑制电源纹波,避免噪声信号被放大电路同步增益放大;
- 二是在模拟信号输出端增设RC低通滤波电路,滤除线路耦合的高频杂波;
- 三是输出信号采用屏蔽线敷设,并尽量与电源线、地线平行走线,减小布线环路面积,显著降低空间电磁耦合干扰。
- 二是在模拟信号输出端增设RC低通滤波电路,滤除线路耦合的高频杂波;