ホール効果電流センサー完全ガイド：オープンループ・クローズドループ構成

ホール効果電流センサーの基礎を学ぶテクニカル記事

電流センサーは多様なアプリケーションで広く使用されています。一般的な手法は抵抗式電流検出で、シャント抵抗両端の電圧降下を測定して未知電流を求めます。シャント抵抗ベースのソリューションはガルバニック絶縁を提供せず、特に大電流測定ではシャント抵抗の大きな電力損失の観点から電力効率が良くありません。

もう一つ広く使われる手法はホール効果に基づくものです。ホール効果電流センサーは、センサーと測定対象電流の間にガルバニック絶縁があるため、より高い安全性を提供します。また、抵抗式電流検出で用いられるシャント抵抗の大きな電力損失も回避できます。

本記事では、ホール効果電流センサーの基礎を見ていきます。

オープンループ電流検出

ホール効果ベースのオープンループ電流センサーの構造を図1に示します。

測定対象電流は磁気コア内部の導体を流れます。これにより、コア内部に磁界が生成されます。この磁界はコアのエアギャップに配置されたホール効果センサーで測定されます。

ホールセンサーの出力は、コア磁界に比例する電圧であり、これは入力電流にも比例します。ホールデバイスが生成する信号は通常、信号調整回路で処理されます。信号調整回路はシンプルな増幅段から、ホールデバイスのドリフト誤差除去などを目的としたより複雑な回路まで多岐にわたります。

なぜ磁気コアが必要か？

磁気コアがないと仮定します。無限に長い直線導体が電流Iを流すとき、距離rでの磁界は：

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

ここでμ₀は真空透磁率です。I=1 A、r=1 cmの場合：

\[B = 2 \times 10^{-5}~Tesla = 0.2~Gauss\]

この磁界がいかに小さいかを実感するには、地球磁場が約0.5 Gaussであることを思い出せば十分です。したがって、自由空間で生成される磁界をセンシングして1 A電流を測定するのは非常に困難です。この問題に対処するため、電流が生成する磁界を閉じ込め、導く磁気コアを使用できます。コアは磁界に高透磁率の経路を提供し、磁界集中器として機能します。コア内部の磁界は、自由空間で与えられた電流が生成できる磁界の数百〜数千倍になります。

エアギャップ

図1に示す通り、磁気コアにはホールセンサーが配置されるエアギャップが設計されています。エアギャップはフリンジングフラックス現象を引き起こし、一部の磁束線が直線経路から逸れ、センサーを通過しなくなります。このフリンジング効果は図2に示されています。

フリンジング効果により、ホールデバイスが検知する磁束密度はコア内部の磁束密度より小さくなる可能性があります。つまり、エアギャップは一次電流を強い磁界へ変換するコアの効率を低下させる可能性があります。しかし、ギャップ長がギャップ断面積に比べて小さい場合、フリンジング効果の影響は比較的小さくなります。

コア内部の磁界を測定するためにエアギャップは必要です。また、エアギャップによりコア全体のリラクタンスを調整できます。大電流はコア内部に大きな磁界を生成し、飽和させる可能性があります。これは測定可能な最大電流を制限します。エアギャップ長を調整することで、コア飽和レベルを変更できます。図3は、与えられたコアで検知磁束密度がエアギャップ長とともにどう変化するかを示します。

より小さいエアギャップでは、より大きな磁気ゲイン（ガウス/アンペアゲイン）が得られます。しかし、より小さいエアギャップでは比較的小さい電流でコアが飽和する可能性があります。したがって、ギャップ長は測定可能な最大電流に直接影響します。ギャップ長に加え、コア材質、コア寸法、コア形状なども磁気コアの効率を決定する要因です。高電流アプリケーション（>200 A）に適したコアについては、Allegroのアプリケーションノートを参照してください。

オープンループ電流検出の限界

オープンループ構成では、直線性誤差やゲイン誤差などの非理想効果が測定精度に影響します。例えば、センサー感度が温度変化すれば、温度依存誤差が出力に現れます。また、オープンループ電流検出ではコアが飽和の影響を受けます。さらに、ホールセンサーのオフセットとコアの矯顽力も誤差に寄与します。

クローズドループ電流検出

クローズドループホール効果電流検出手法を図4に示します。

名前が示す通り、この手法は負帰還の概念に基づきます。この場合、フィードバック経路の出力で駆動される二次巻線があります。フィードバック経路はコア内部の磁界を検知し、二次巻線を流れる電流を調整して、コアの全磁界をゼロにします。この回路の動作を見てみましょう。

測定対象電流が一次導体を流れ、コア内部に磁界を生成します。この磁界はコアのエアギャップに配置されたホール効果センサーで測定されます。ホールセンサーの出力（コア磁界に比例する電圧）は増幅され、二次巻線を流れる電流信号へ変換されます。システムは、二次巻線を流れる電流が生成する磁界が一次電流の磁界と打ち消し合うよう設計されています。全磁界がゼロになるため、以下が成り立ちます。

\[N_p I_p = N_s I_s\]

ここでN_pとN_sはそれぞれ一次巻線と二次巻線のターン数、I_pとI_sは一次電流と二次電流です。図4ではN_p=1であり、\[V_{out} = R_m \times I_s\]です。したがって：

\[V_{out} = R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

これにより、一次電流に比例する電圧が得られます。比例係数\[R_m \times \frac{1}{N_s}\]はターン数とシャント抵抗値の関数です。ターン数は定数で、抵抗も非常にリニアです。

オープンループ vs クローズドループ電流検出

クローズドループアーキテクチャで採用される負帰還により、直線性誤差やゲイン誤差などの非理想効果を低減できます。そのため、オープンループ構成とは異なり、クローズドループアーキテクチャはセンサー感度のドリフトに影響されません。したがって、クローズドループ構成はより高い精度を提供します。クローズドループ電流センサーは、コア内部の磁束密度が非常に小さいため、コア飽和に対してより堅牢です。

クローズドループ検出では、二次コイルがハイパワーアンプで能動的に駆動されます。クローズドループアーキテクチャで採用される追加コンポーネントにより、より大きなPCB面積、より高い消費電力、より高いコストにつながります。

安定性問題もクローズドループ電流センサーの欠点です。クローズドループ構成では、システム伝達関数を導出し、システムが安定することを確認する必要があります。不安定なシステムは、入力電流の急激な変化に対してオーバーシュートやリンギングを示す可能性があります。クローズドループシステムを安定化するには、通常帯域幅を制限する必要があります。しかし、システム帯域幅を狭めると応答時間が長くなり、入力の急激な変化に追従できなくなる可能性があります。オープンループ構成は通常、より高速な応答時間を示すことが期待されます。

ホールセンサーのオフセットは、クローズドループとオープンループの両構成で誤差に寄与することに注意してください。品質の良いインジウムアンチモン（InSb）ホール素子のオフセットは典型的に±7 mVです。

モダンな集積ソリューション

現代のホール効果ベース電流センサーは、上記の一部限界に対処する革新的手法を採用しています。例えば、TIのDRV411はクローズドループ電流検出アプリケーション向けに設計された信号調整ICで、カレントスピニング技術を用いてホール素子のオフセットとドリフト誤差を除去します。この技術は図5で示されています。

もう一つの例は、AllegroのACS720［PDFダウンロードリンク］で、オープンループ電流検出アプリケーション向けに設計されています。ACS720はオンチップ温度補償アルゴリズムを用いて、温度範囲全体での精度を最適化します。

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