基于新型横向霍尔装置的电能计量表设计

Ｖ ｏ １ ． １ ２ Ｎ ｏ ． ６ （ Ｃ ， ｅ ｎ ． Ｎ ｏ ． ６ ６ ）
基于新型横 向霍尔装置的电能计量表设计
范秋 凤， 邢Βιβλιοθήκη 芳， 秦 长海 （ 安 阳工 学 院 ， 河南 安 阳４ ５ ５ ０ ０ ０ ）
摘 要： 分 析 了现 有 横 向 霍 尔 器件 的工 作 原 理 与 不足 ， 对 新 型 的 横 向 霍 尔装 置进 行 了 简要 介 绍 。 将 其 应 用 于 电 能 计 量 中， 设 计 了一款 新 型 电能 计 量 表 ， 与传 统 的 电能 计 量 表 相 比 ， 新 型 电能 计 量 表 可 以使 电能 的计 量更 为精 确 ， 误差更 小。 尤 其 是
２ ０ １ ３年 １ １ 月
安 阳工 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ａｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｎｏ ｖ ． ２ ０１ ３
第 １ ２卷 第 ６期 （ 总第 ６ ６期 ）
一
问题 。
２新型 横 向霍尔 装置 新 型横 向霍 尔 器件是 具 有 ６ 个 引 线端 子 ， 与现
测定 系 统 电流 成 正 比 的磁 场 中 ，在 一 对传 感 器 电 极 之 间 就会 产 生 与被 测 定 系统 功 率 成 正 比 的霍 尔
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ８ 一 Ｏ １ 基 金 项 目： ２ ０ １ ２年安 阳市科 技攻 关计 划 项 目（ １ ２ １ ４ ７ ） 。
０引 言
目前所 用 的 电能计 量 表 大 多是 电磁 感 应 式 电 能 表 和 电子 式 电能 表 。普 通 感应 式 电能 表受 其 结 构 和原 理 的 制约 ，要 进 一 步 提 高 准确 度 和 拓展 其 功 能 已很 困难 。随着微 电子 技术 的迅 速 发展 ． 电子 式 电 能表 以 它 的精 确度 高 、 稳定性好 、 功 能 扩展 性 好 和环 境 适应 性 强 等优 势 已被 电力 企 业 和用 户广 泛认 可 与 接受 ， 经过 十 多 年 的发 展 ． 电子 式 电 能表 的市场 占有率 达 ７ ０ ％以上 。取 代 机械 式 电 能 表 已 是 大势所 趋【 ” 。电子式 电能 表 的工作 原理 主要 是通 过互 感 器 对 电压 电流取 样 后 ，依 靠 乘 法 器进 行 计 算 的 。随 着传感 器 技术 日益 发展 ， 现 已 出现 了用霍 尔 器件 代 替乘 法 器 的 电能 表设 计 技 术 ，它利 用 霍 尔 器件 在 电场 中的霍 尔 电压 与 电 网输 出的有 功功 率 成 正 比来 设 计 电路 ， 具有 电 路 简 单 、 体积 小 、 灵 敏 高且 造 价低 的优点 ，但 也具 有 输 出信 号灵 敏 度 和 准确度 较 低 的缺 点 棚 。为 此本 设 计将 新 型横 向 霍尔 装置 应用 在 电能表 上 ， 以弥 补这 一缺 陷 。 １现有 横 向霍 尔器 件 的工作 原理 及不 足 现 有 横 向型 霍 尔 器 件 具 有 ４个 引 线 端 子 。 其 结构 是 ： 在 Ｐ型硅 基板 上 形成 Ｎ型 活 性层 ， 该 活性 层被 深 度 直达 基 板 的另 一 Ｐ型层 围起 来 ，与 器 件 的其 他 区域 隔离 。另外 ， 在 活性层 的表 面相 互 面对 地形成 了一对 Ｎ型层 ， 分 别形 成 电流供 给 电极 。在 活性 层 表 面 ，与供 给 电极 不 同 的位 置 上形 成 另 一 对 Ｎ型层 ， 作为 传感 器 电极 。 将 横 向霍 尔器 件 的两 电 流供 给 电极 之 间加 上 与被 测 定 系统 电压成 正 比的 电流 。并 放 置在 与 被
在 负荷 电流 较 小 的 情 况 下 ， 完 全 可 以 克服 传 统 电 能表 计 量 不 准确 的缺 点 。
关键词 ： 横 向 霍 尔 器件 ； 电 能计 量表 ； 误 差
中图 分 类 号 ￣ Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ４ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ２ ９ ２ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ ５ ６ － ０ ３
电压阿 。但 是这 种横 向霍 尔器 件应 用 于 电度 表 的 电 功率 检 测 时 ， 由于检 测 的是 交 流 功率 ， 因 此会 在 横 向霍 尔 器件 的一对 电流 供 给 电极 上 交 互地 加 上 正 负 电压 ， 此时 ， 活 性层 与基 板 和 隔离 层 之 间 的耗 尽 层 的伸展 将发 生变 化 ， 霍尔 特性 也将 发生 变化 。在 这种 情 况 下 ，若用 加 厚 活 性层 的厚 度 来抑 制 上 述 影 响 ，则对 感 应霍 尔 电压 有 贡献 的 电流成 分 就 会 减少 ， 从 而降低 了霍 尔灵 敏 度 。此 外 在活性 层 非常 厚 的情 况下 ， 其 间 的隔离 扩 散将 变得 非 常 不 现 实 ， 而 且 器件 的 隔 离 扩 散所 引 起 的 横 向 扩 散 将 变 大 。 所以， 这种 横 向霍 尔器件 的灵 敏度 就 成 了问题 。 另外 ， 决定 横 向霍尔 器件 精度 的主要 因素 是在 未加 磁 场 时所 产 生 的偏 移 电压 的大 小 。偏 移 电压 产生 的原 因 ，是从 外 部 加 到横 向霍 尔 器件 的应 力 在单 晶硅 上产 生 的压 电效 应使 电 阻值 各个 部 分 不 样 ，从 而使 两个 电流 供 给 电极 和 两个 传 感 器 电 极 构成 的 ４端 电桥 不平衡 嘲 。 综上所述 ， 在 现有 的横 向霍 尔器 件 中 ． 存 在 着 因耗 尽层 的伸 展产 生 变 化使 霍 尔 灵 敏度 的直 线 性 受 到 损 害 的 问题 ，以及 需对 偏 移 电压 进行 补 偿 的