霍尔电流传感器（Hall current sensor）是基于霍尔效应的一种检测电路的装置。电流传感器的主要工作原理是采用霍尔效应原理。霍尔效应是一种磁敏效应，当电流通过一个位于磁场中的导体材料时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向的上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电压。霍尔电流传感器属于非接触测量，有优良的电气隔离性；结构简单，体积小；灵敏度高、精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强等特点。

1879年，物理学家霍尔（E.H.Hall）在研究金属导电机制时发现了霍尔效应。直到20世纪50年代，半导体技术的发展，磁敏元件也得到了快速发展，霍尔元件属于磁敏元件。20世纪70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现了集成传感器。其中包括集成霍尔传感器。20世纪80年代后，大规模超大规模集成电路和微机电系统的发展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了3端口或4端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化和体积的微型化。

霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级电感线圈和放大电路等组成。霍尔电流传感器由于连接方式不同，霍尔电流传感器又可以分为闭环式和开环式两类，其中闭环式的精度要高于开环式。随着电力设备的不断发展以及能源管理的日益重要，霍尔电流传感器作为一种高精度，低功耗的电流传感器，被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。在电力电子产品中，对大电流进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。

1879年，物理学家约翰·霍尔（E.H.Hall）在研究金属导电机制时发现了霍尔效应，当在通电半导体材料上施加一个磁场后，由于磁场对半导体中电子和空穴施加的洛伦兹力不同，会在通电半导体材料的另外两极产生一个电压，该电压称为霍尔电压。直到20世纪50年代，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到了快速发展，霍尔元件属于磁敏元件。其工作原理基于霍尔效应。利用半导体材料做成的霍尔元件的霍尔效应比较显著，霍尔效应从而开始被人们所重视和充分利用。霍尔传感器原理使得电流测量更加方便和准确，因此在电力系统等领域得到发展。

20世纪70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现了集成传感器。其中包括集成霍尔传感器。20世纪80年代后，随着大规模超大规模集成电路和MEMS技术的发展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了3端口或4端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化和体积的微型化，在工业、汽车、手机、计算机等领域并得到广泛应用。

霍尔电流传感器基本工作原理是霍尔效应。霍尔效应是一种磁敏效应，它定义了磁场与感应电压之间的关系，当电流通过一个位于磁场中的导体材料时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向的上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。电势差 称为霍尔电势差（或霍尔电压）。实验表明，霍尔电势差与电流及磁感应强度的大小成正比，与导体板的厚度成反比，即式中：是仅与导体材料有关的常数，称为霍尔系数。霍尔电势差的产生是由于运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用的结果。

工作过程是标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有电感线圈，由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出，从而确定导线中电流的大小。

由于半导体特性和制造工艺等原因，霍尔电流传感器在对电流测量时总是存在一定的误差。为进一步提高霍尔元件的测量精度和灵敏度，往往需要对霍尔元件进行误差补偿，其中主要包括温度补偿和不等位电势补偿。

霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为半导体材料的电阻率，迁移率和载流子的浓度等都随温度的变化而变化。因此，霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电势等都要发生相应的变化。从而使由霍尔元件构成的传感器产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件，如硅（Si）霍尔元件，砷化镓（GaAs）霍尔元件外，可采用恒流源并联电阻补偿法。

霍尔元件的不等位电势和控制电流之间的关系是非线性的，不等位电势还受温度的影响而变化，因此不等位电势大的霍尔元件性能不稳定而降低了精度。所以补偿不等位电势是必要的。在分析霍尔元件的不等位电势时，可把霍尔元件视为一个电桥电路，不等位电势就相当于电桥的不平衡输出，因此所有的能够使电桥平衡的方法都可以用来补偿霍尔元件的不等位电势。

开环霍尔电流传感器采用霍尔直放式原理，电流产生的感应磁场在垂直于电流及磁场的霍尔元件端面上形成霍尔电压。霍尔电压大小与原边电流以及磁感应强度成正比。带电导线周围会产生磁场，该磁场可以通过磁芯进行聚集，在磁芯的某段开有一段孔隙，将霍尔元件固定在其中用以感应磁通密度，通过传感器的电路部分对霍尔元件提供控制电流及为后续的处理电路提供电源。开环式霍尔电流传感器可以在保证电气隔离的条件下，测量直流、交流及复杂的电流波形，在大于300A的电流测量应用场合中具有明显的优势，同时其插入损耗也非常小。不过开环式霍尔电流传感器只适用于中频段带宽的测量，响应时间较长，同时其温度增益漂移较大，功率带宽有限。开环式霍尔电流传感器的最大测量电流由磁回路的设计和材料及调理电路的设计所决定。

闭环霍尔电流传感器采用磁平衡原理，由霍尔元件控制电流流过次级电感线圈产生磁场补偿，当磁平衡时，补偿值可以准确表现实际值。由于闭环式霍尔电流传感器工作状态为零磁通，磁芯的非线性以及磁滞对输出影响较小，所以闭环霍尔的响应时间以及精度较开环霍尔更有优势，闭环更适用于小电流的检测。磁平衡法（又称零磁通法、闭环反馈补偿法）是在直测法原理的基础上，加入了磁平衡原理。即将前述霍尔器件的输出电压进行放大，再经功率放大后，让输出电流通过次级补偿线圈，使补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，从而补偿原边磁场，使霍尔输出逐渐减小。

磁芯通常用环形或方形导磁材料，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流产生的磁场聚集在铁芯中。将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔，当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁芯内，并在铁芯的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。

磁环是霍尔电流传感器的关键部件。在通过大电流时，通常采用在磁环设置一小气隙，以避免磁环达到饱和而影响测量精度。磁环的磁通密度比通过中心的电流大小成正比关系。磁环的形状有方形、圆形两种结构，方形结构用于大电流的方型汇流条或母线，圆形结构用于一般圆形导线。常见导磁材料硅钢片的最大相对导磁率为空气的8000~10000倍。

标准软磁材料圆环中心直径为40毫米，截面积为4毫米4毫米（方形）；圆环上有一个缺口，放入集成霍尔元件；圆环上绕有一定匝数的线圈，当通过检测电流时会产生磁场，则霍尔器件会有信号输出。

霍尔电压很小需作放大处理，通常将半导体基片与放大电路集成为一体，称为霍尔芯片。一般的霍尔芯片均有4根引线，其中2根引线为外加电压，提供电流，另2根引线为输出的霍尔电势U。当外加电压恒定，电流人恒定时，输出的霍尔电势U，与磁场有良好的线性关系。

霍尔芯片置于聚磁铁心的气隙中。原边主电流回路所产生的磁场与副边电流回路产生的磁场方向相反，互相抵消，使霍尔芯片处于检测零磁通量的状态。当原边主电流回路产生的磁场导致聚磁环中的霍尔芯片产生霍尔电压时，霍尔电压使得电子放大器相应的功率管导通，并根据霍尔电压的数值提供相应的补偿电流；副边电流产生的磁场抵消原边电流产生的磁场，直至霍尔电压为零，从而达到磁回路平衡，霍尔芯片又工作在零磁通状态。

霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。其中控制电极为红色部分，霍尔电极为蓝色部分，另外必须在中间焊出引线。

激励电流由电源供给，可以是DC电源或交流电源，电位器调节激励电流的大小。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。

霍尔电流传感器是一种较好的隔离式强电流检测装置，不仅能测量静态、动态的参数，还可测量电流波形。可以测量任意波形的电流和电压参量，如直流、交流和脉冲波形等；也可以对瞬态峰值参数进行测量，其二次电路可以真实地反映一次电路电流的波形。

闭环式霍尔电流传感器能同时测量直流、交流和脉冲等复杂波形电流，其次级电感线圈测量电流与一次侧被测电流之间完全电气隔离。开环式霍尔电流传感器可以在保证电气隔离的条件下，测量直流、交流及复杂的电流波形，在大于300A的电流测量应用场合中具有明显的优势，同时其插入损耗也非常小。

霍尔电流传感器需要对其提供特定电源，导致其成本较高。

对于开环霍尔电流传感器，由于其铁芯的非线性，导致这种形式的传感器具有精度低、响应速度慢、温漂大、线性度差的缺点。

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出变化量对输入变化量的比值。它是输出与输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输人之间为线性关系，则灵敏度是一个常数。灵敏度可理解为放大倍数，提高灵敏度，可得到较高的测量精度。其中，霍尔效应明显，灵敏度较高。

电流传感器的精度会直接影响功率测量以及故障诊断的可靠性，所以要求电流传感器的被测信号和输出信号之间的相位延迟越小越好。霍尔电流传感器可以测量任意波形的电流参量，如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以反映原边电流的波形。这一点是普通互感器无法与其相比的，因为普通的互感器一般只适用于50Hz的正弦信号。霍尔电流传感器的精度很高，一般的霍尔电流传感器在工作区域内的精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。

用霍尔电流传感器检测过流信号时，检测回路与主回路之间相互独立，不需再设置隔离电路。霍尔电流传感器响应时间仅为，用它作为检测元件时，即使主回路中没有专门串人限制短路电流上升率的电感，也能有效地保护逆变桥上的晶体管在负载短路或桥臂直通的情况下不被损坏。

霍尔磁补偿原理优于直接检测模式，具有响应时间快和测量精度高等优点，特别适用于弱小电流的检测，电流传感器的额定电流输入有从0.01A到500A等一系列规格。

电流传感器的温度特性是介损监测值不稳定的主要原因。因此，需要选用性能优良的电流传感器。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化霍尔元件的场合较多。

霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足。利用同一只霍尔电流传感器既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离作用，在直流输出的电力电子设备中，可以利用霍尔电流传感器测得与主电路隔离的直流测量信号、短路保护和显示控制，还可用于电流反馈和稳流调节。

随着汽车技术的发展，特别是新能源汽车的出现，传统接触式传感器使用的局限性越来越明显。霍尔传感器具备与被测对象无接触的优点，所以新能源汽车逐渐使用霍尔传感器来取代传统接触式传感器。动力蓄电池控制系统中广泛应用霍尔电流传感器，该传感器安装在高压蓄电池箱内，主要检测动力蓄电池的充电状态和放电状态。当传感器检测到电池放电出现异常情况时，会向BMS发出信号，控制单元及时地断开动力蓄电池的电压输出，以防发生安全事故或造成电池损坏。

霍尔电流传感器应用广泛，在CSM系统对电源电压测试接线中，电源屏中的交流会通过UPS电源处理后，再输送给监测系统设备供电，以达到对监测设备不间断供电的要求。其在不间断电源中的应用原理为：霍尔电流传感器发出信号并进行反馈，以控制可控硅的触发角，电流传感器发出的信号控制逆变器，传感器控制浮充电源。用霍尔电流传感器进行控制，可保证逆变电源正常工作。

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟半导体材料制成。用锑化铟制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗制成的霍尔元件虽然灵敏度低，但它的温度特性及线性度好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。

锗是银灰色性脆的金属。熔点937.4℃，沸点2830°C，比重5.323。锗主要用于电子工业中，用来生产低功率半导体二极管三极管，锗在红外器件，Y辐射探测器方面有着新的用途，金属锗能让2--15微米的红外线通过，又和玻璃一样易被抛光，能有效地抵制大气的腐蚀，可用以制造红外窗口、三棱镜和红外光学透镜材料。锗还与形成化合物，用作超导体。

硅的密度为2.4克/立方厘米，与铝液的密度接近，硅极易与氧化合而生成难熔的，当把硅加入铝溶液中时，硅易浮在溶液表面，极不易溶解。硅的氧化烧损大，实收率低。

砷化镓（GaAs）材料是继硅单晶之后第二代新型化合物半导体中最重要、用途最广泛的材料之一，主要用于光电子产业和微电子产业。砷化镓属Ⅲ～V族化合物半导体，闪锌矿型晶格结构。与元素半导体Ge和Si相比，砷化镓禁带宽度大；电子迁移率高；介电常数小；电子有效质量小；特殊的能带结构。

由砷化铟构成的Ⅲ～V族化合物丰导体材料，常温呈银灰色固体，具有闪锌矿型的晶体结构。砷化铟晶体具有校高的电子迁移率和迁移率比值，低的磁阻效应和小的电阻温度系数，是制造霍尔器件和磁阻器件的理想材料。

锑化铟分子量236.57。具有闪锌矿型结构的晶体。熔点 535°C。由计算量的铟和锑在真空中高温熔合而得，是重要的半导体材料之一。经熔炼提纯的单晶，可制成具有特殊性能的红外探测器件等。

传感器的测量范围应由工厂规定。 传感器测量范围的上限值推荐从下列数字中选取：；；；；；。 其中n为0，1，2，3等。

传感器的输出电流、电压由制造厂规定。 4mA~20mA为传感器输出电流的优选值。

传感器外观应符合下列要求为壳体表面光洁、完好，无划痕及其他损伤； 产品铭牌、标牌等应正确、完整、清晰，并牢固地固定在外壳上；接线端子齐全，标注正确、清晰。

在传感器壳体的适当位置上直接刻字或用固定铭牌的方法标明厂名或商标； 产品名称； 产品型号； 准确度等级； 测量范围； 输出信号值； 辅助电源值； 电流方向； 制造日期和出厂编号。在包装箱外表面上应有运输标志。

传感器在规定的参比条件下，接上辅助电源，预热30分钟 后，在记录观察值之前，传感器应在满量程范围内进行三次标准负荷循环，每次标准负荷循环输入从最小逐渐增加到最大，然后再逐渐减少到最小，并在上、下限处各保持10秒。然后在包括传感器测量上、下限的全量程范围内选择均匀分布的6个～11个校准点，其中应包括上、下限的点。作三次或三次以上的标准循环，观察并记录对应每个输入值的输出值。