电流传感器技术原理及发展趋势

电流传感器技术路线经过了多次迭代和发展，在检测精度、响应频率等性能上显著提升。目前电流传感已经广泛应用于工业电源、新能源车、家用电器、智能电网、风力发电、太阳能光伏等方向。

电流传感器，是一种检测装置，能感受到被测电流的大小，并能将检测感受到的电流信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足电流信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

电流传感器从技术原理上可以分为分流器、电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器和磁阻电流传感器。

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分流器

分流器样例

分流器测量电流的基本原理是欧姆定律，是通过被测电流电路中串联电阻两端的电压来测量直流电流。它的结构简单，使用方便，在低频小电流测量中，具有非常高的精度和快的响应时间，在大电流测量中，会有很大的误差。因为分流器的材料一般是铜的合金，为了测量准确，导体电阻不宜过小，但大电流会产生大量欧姆热；如果减小导体电阻，又势必增加分流器的尺寸，降低精度，提高生产的成本。一般分流器更适合于偏小的电流测量，其实物图如上图所示。

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电流互感器

互感器结构图

电流互感器是用来测量、保护、监控用电设备的重要器件，广泛应用于电力系统中，电流互感器的可靠性与整个系统的安全运行非常紧密。电流互感器的基本原理图如上图所示。通过设计原边与副边的绕组匝数关系，用副边的感应电流值的大小去反应原边电流值的大小。由于电流互感器的特性，二次负载阻抗很小，接近于零，所以，对外部电路的要求较低。这是一种常见的交流测量方式。准确度高、工艺成熟、制造方便，能满足一般测量要求。

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霍尔电流传感器

霍尔电流传感器基于霍尔效应。霍尔效应指的是，有小电流通过的一个半导体薄片置于磁场中，受到磁场作用影响电流发生偏转，在控制电流的垂直方向上的半导体两侧形成了电压差，该电势差就是霍尔电压。霍尔电压的大小，与磁场强度和半导体内通过的控制电流成正比。

根据霍尔电压与磁场强度的正比例关系，设计装置，提供恒定的控制电流，那么霍尔电流的大小就只收到磁场强度一个因素的影响，进而霍尔电压的变化可以反应磁场强度的变化。而磁场是由相应电流产生的，与电流具有明确的联动关系。这就是利用霍尔元件测量电流强度的基本原理。

霍尔效应示意图

开环式霍尔电流传感器

当在一根长导线中通以电流时，在导线的周围会有磁场产生，该磁场的大小与通过导线的电流成正比。利用薄半导体片的霍尔效应，测量霍尔器件感应生成的电压信号，经过放大器放大霍尔电压后，可以直接测量霍尔电压。直检式霍尔电流传感器的优点是电路简单、成本较低、能量效率高、检测范围广及电耗低等；缺点是精度、线性度较差、响应速度较慢、且温漂较大。

开环霍尔电流传感器

闭环霍尔电流传感器

磁平衡式霍尔电流传感器是依据磁场平衡原理工作的。原边电流 在聚磁环处所产生的磁场，使得霍尔元件上产生电压偏差；电压信号传递给放大器后，经过放大的电流信号输送给次级线圈（下图中红色绕组），在次级线圈上感应出的电流所产生的磁场，方向与原边磁场相反。经过反复调整放大器输出电压， 原边产生的磁场与次级线圈产生的磁场在气隙处互相抵消，从而使得半导体薄片处于零磁通的环境中。达到这种平衡状态以后，检测放大器输出电流，推算得到原边回路电流值。磁平衡式霍尔电流传感器的优点是精度高、响应时间快、温漂小、线性度好及抗干扰能力强。缺点是测量范围较固定，成本、能耗较高。

闭环霍尔电流传感器

开环霍尔与闭环霍尔的对比

1）带宽不同，气隙处的磁场始终在零磁通附近变化，由于磁场变化幅度非常小，变化幅度小，变化的频率可以更快，因此，闭环式霍尔电流传感器具有很快的响应时间。实际的闭环式霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。而开环式霍尔电流传感器的带宽通常较窄，带宽在3kHz左右。

2）精度不同，开环式霍尔电流传感器副边输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，而磁芯由高导磁材料制作而成，非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特点，因此，开环式霍尔电流传感器一般线性度角差，且原边信号在上升和下降过程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。闭环式霍尔电流传感器由于工作在零磁通状态，磁芯的非线性及磁滞效应不对输出造成影响，可以获得较好的线性度和较高的精度。闭环式霍尔电流传感器精度一般可达0.2%。

3）开环霍尔和闭环霍尔都存在磁饱和问题，开环问题表现比较直接，当原边电流过大时，磁场强度超过了磁化曲线的正常工作范围，就会发生磁饱和；闭环霍尔在零磁场下工作，但遇到非正常情况也会出现磁饱和，简单说当副边线圈未供电或者原边电流过大时，磁饱和会发生。

闭环霍尔电流传感器性能要优于开环霍尔电流传感器，可以测量任意波形的电流、主副线圈间绝对电气隔离、电气测量范围宽、响应时间短，在交直流测量中均可应用。

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磁通门电流传感器

磁通门传感器是应用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和鼓励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来丈量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说仿佛是一道“门”，经过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。应用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的到达测量电流的目的。

如果将磁通门激励电流产生的二次谐波信号放大后驱动补偿线圈，使得聚磁磁芯中的磁通与原边电流产生的磁通相互抵消，保持为“零”，即所谓“零磁通”状态。如下图，则称之为闭环磁通门电流传感器，如下图所示（此处的磁通门探头的作用与霍尔元件是一样的）：

磁通门电流传感器

磁通门电流传感器的精度要比霍尔电流传感器更高，原因在于：1.磁通门原理的高灵敏性；2.闭环磁平衡技术，输出严格按照匝比对应关系；3.磁通门原理使用整体磁芯，不带任何气隙，因此无漏磁，亦没有位置误差；4.双磁通门探头设计，补偿并消除磁通门探头振荡谐波影响，输出更干净；零点失调offset更小，并且可微调。

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磁阻电流传感器

磁阻材料具备一种特别的属性，铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角的改变而变化。外部磁场施加到铁磁性材料上，铁磁材料的长度方向上施加一个垂直于磁场的电流，铁磁材料自身阻值的变化，可以转化为元件端电压的变化，如下图所示。

磁阻效应图

磁阻效应包括AMR（各项异性磁阻）、GMR（巨磁电阻效应）和TMR（隧道磁阻效应）。相比于其它磁传感器，TMR磁传感器具备优异的温度稳定性、极高的灵敏度、极低的本底噪声、超低功耗、高分辨率、较大的动态范围、更小的尺寸等特点，代表了固态传感器技术的发展新趋势。TMR磁阻传感器具有优异的性能，可以说其它磁传感器是无法比拟的。TMR磁阻传感器出类拔萃的性能，注定了这个“后起之秀”将成为将来磁传感器的主流。

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不同技术路线对比

对比上述几种电流传感器当中，分流器、互感器和磁电流传感器，优缺点如下：

分流器

优点：足够简单、使用灵活、电流低时成本优势明显、适用于几百安培以下；

缺点：仅适用于直流、电流大时设计困难、插入损坏大效率低、隔离应用时系统复杂；

互感器

优点：简单、交流精度较高；

缺点：仅适用于交流或者脉动直流、体积大；

磁电流传感器

优点：交直流通用、微秒级响应、体积小插入损耗低、隔离应用时系统简单；

缺点：半导体器件抗冲击能力弱、容易磁饱和；

不同磁技术性能对比图

在磁电流传感器当中，相比霍尔、磁通门、AMR和GMR 来说，TMR具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗，以及更宽的线性范围。基于TMR（隧道磁电阻）技术设计的电流传感器，能在隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。

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电流传感器未来发展趋势

1、高灵敏度

被检测信号的强度越来越弱，这就需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

2、温度稳定性

更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷，这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性，行业应用包括汽车电子行业。

3、抗干扰性

很多领域里传感器的使用环境没有任何评比，就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括汽车电子、水表等等。

4、小型化、集成化、智能

要想做到以上需求，这就需要芯片级的集成，模块级集成，产品级集成。

5、高频特性

随着应用领域的推广，要求传感器的工作频率越来越高，应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

6、低功耗

很多领域要求传感器本身的功耗极低，得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片，指南针等等。