Moderna system för effektomvandling måste bli alltmer effektiva, och samtidigt mindre och prisbilligare än föregående generation. Med detta i åtanke har det schweiziska företaget LEM, som är globalt ledande inom ström- och spänningsavkänning, utnyttjat sitt kunnande inom området för att skapa en enchipslösning kallad HMSR.

Fig 1. I Open Loop-teknologin används ett traditionellt Hall-effektschip eller en specialutvecklad ASIC

Den traditionella metoden för att mäta ström är att använda Hall-sensorer i öppen slinga (Open Loop Hall). Det magnetfält som alstras av en ström fångas upp av en magnetkärna och mäts med ett Hall-element. På senare tid har speciella ASIC:ar använts för att öka den totala noggrannheten hos systemet genom att utnyttja avancerade kompenseringsmetoder.

LEM tog första steget mot miniatyrisering med produkten LTSR för ett tiotal år sedan. På den tiden var det bästa sättet att garantera optimala prestanda att använda Hall-element i sluten slinga (Closed Loop Hall) i kombination med en specialanpassad ASIC konstruerad av LEM. Utvecklingen inom ASIC-teknologi gjorde det möjligt att utveckla Open Loop Hall-effektsensorer som kunde närma sig den prestandanivå som Closed Loop-teknologin uppnådde.

Fig 2. Storleken på strömsensorerna har minskats med åren

Open Loop-teknologin gjorde det inte bara enklare att minska komponentstorleken, utan den gav också kostnadssänkningar tack vare en enklare struktur och lägre effektförbrukning. På senare tid har vi sett utvecklingen av HLSR-serien, som inte bara ger högre prestanda avseende offset och drift, utan även excellenta svarstider – allt i en kapsel som är tillräckligt liten för användning i applikationer av PCBA-typ blott några millimeter höga.

Den nya HMSR-serien är en serie miniatyriserade strömsensorer för isolerade AC- och DC-strömmätningar. HMSR-modellerna är enkla att använda eftersom de innehåller en lågresistiv primärledare (vilket minimerar effektförluster), en miniatyriserad ferrit och en egenutvecklad ASIC som möjliggör direkta strömmätningar och ger enhetliga isolationsprestanda.

Fig 3. HMSR-strömsensor

Den nya produktkategorin finns redan för sex olika nominella strömstyrkor – 6, 8, 10, 15, 20 och 30 A – med ett mätomfång som är 2,5 gånger den nominella ström som finns tillgänglig i kapslar med ”SOIC 16-liknande” utrymmeskrav. Standardmodellerna har en analog spänningsutgång med olika känslighetsnivåer tillgängliga, där versionerna med 5 V matningsspänning ger en utspänning på 800 mV vid /PN.

Inbyggda finns två OCD-enheter (Over Current Detection) som separerar styrapplikationens väg till säkerhetsslingan. Dessa enheter finns på två dedicerade ben. En av dem är inställd internt med 2,93 x /PN som tröskelvärde, och en inställd externt, vars tröskelvärde kan justeras av användaren.

Men HMSR-sensorerna skall inte bara betraktas som enkla, ASIC-baserade Open Loop Hall-omvandlare. Deras unika primärledare klarar överströmmar och ger en hög grad av isolation. Allt detta kombineras med en ferritbaserad magnetisk krets som ger stor tålighet mot sådana externa, inhomogena fält som uppstår i kraftelektronik. Det medför att HMSR kan användas i miljöer med höga störningsnivåer.

Den ferrit som används i HMSR är också en nyckelfaktor för att kunna uppnå en högfrekvent bandbredd på 270 kHz (-3 dB), och gör det möjligt att uppnå hög tålighet mot externa fält.

Dessa dedicerade ASIC-kretsar använder fältprövade metoder, som spinning och programmerbar intern temperaturkompensation (EEPROM), för att få förbättrade egenskaper avseende förstärkning och offsetdrift. Detta ger mycket hög noggrannhet över ett brett temperaturområde, från -40 till +125 °C med ett typiskt värde på 0,5 procent av /PN (för modellen HMSR 20-SMS). Effektapplikationer som solväxelriktare kräver hög verkningsgrad, och detta kan bara uppnås om styrslingan är noggrann.

Noggrannheten som funktion av temperaturen har i hög grad förbättrats hos HMSR, jämfört med tidigare produktgenerationer. Fig 4 visar hur litet det typiska totala felet är för en uppmätt ström med HMSR 20-SMS, liksom den mycket höga lineariteten över ett brett temperaturområde (-40 till +125 °C).

Fig 4. Typisk total noggrannhet och linearitet hos HMSR 20-SMS från -40 till +125 °C (klicka för större bild)

Men en så hög noggrannhet räcker inte om den inte backas upp av en kort svarstid. Här gäller att användandet av en snabb IGBT, som SiC-baserad teknologi, ökar möjligheterna att arbeta med en högre switchfrekvens. HMSR har visat sig räcka för sådana krävande teknologier med svarstider under 2 µs (se Fig 5).

Fig 5. Svarstid hos HMSR

I många applikationer kan HMSR-sensorer monteras direkt på ett kretskort som SO16-ytmonteringskretsar, vilket minskar tillverkningskostnaderna och ger en i många fall välbehövlig utrymmesbesparing. Med en höjd på endast 6 mm ger HMSR avsevärda besparingar, vilket gör kretsen lämplig att placera under kylaren över intelligenta effektmoduler (IPM), (se Fig 6).

Fig 6. HMSR monterad med IPM

Ett annat område, där HMSR ger avsevärda fördelar vid strömmätningar, är solenergi.

MPPT (Maximum Power Point Tracker) spelar en stor och viktig roll, speciellt vid omvandling av solenergi. Det är en samling komponenter som maximerar den effekt som genereras av en solpanel genom att reglera strömmen och spänningen beroende av temperatur, solsken och systemets totala resistans.

Fig 7. Maximum Power Point (MPP)

Styrsystemet analyserar fortlöpande systemuteffekten efter att ha injicerat en liten störning. MPPT analyserar sedan den resulterande effekten (genom att avläsa spänningen och strömmen) och bestämmer vilka parametrar som behöver ändras för att nå den maximala effektpunkten (MPP). MPPT använder därefter pulsbreddsmodulering (PWM) för att anpassa spänningen hos DC/DC-omvandlaren.

Ju högre noggrannhet och ju lägre brus, desto bättre prestanda kommer MPPT att ge. Med hjälp av LEM:s state-of-the-art-ASIC kommer HMSR att ge en mycket noggrann och lågbrusig signal som gör att systemet kan operera på optimal nivå.

Fig 8. MPPT-arkitektur

Dessutom ger övervakning av strängströmmarna möjlighet att jämföra flera strängar, liksom att upptäcka problem som felaktiga kablage, smuts på panelerna och skugga orsakad av växande vegetation. Här ger den höga noggrannheten hos HMSR det möjligt att jämföra strängar.

Den DC/DC-omvandlare som används i MPPT arbetar dessutom med högfrekvent reglering (omkring 80 kHz), vilket skapar snabba spänningspulser (höga dV/dt-värden) som är skadliga för elektroniska komponenter. Tack vare sin robusta uppbyggnad har HMSR en avsevärd tålighet mot sådana störda miljöer.

Denna immunitet kan enkelt kontrolleras genom att man skickar en snabb späningspuls genom sensorn och observerar reaktionen på utgången.

Fig 9 visar de låga störningar som uppstår när en snabb spänningspuls skickas genom sensorn. Det genererade felet är bara 3 procent av fullt utslag med en återställningstid på 3,8 µs.

Fig 9. Fel som genererats när en snabb spänningspuls lagts på (klicka för större bild)

De båda inbyggda OCD-enheterna i HMSR skyddar också transistorerna i omvandlaren från kortslutning och överbelastning. Denna sorts detektering och skydd är en viktig funktion i många applikationer, som exempelvis vid HVAC på DC-länken och i motordrivsystem. De flesta VFD (Variable Frequency Drives) har en algoritm för överbelastning av motorn, och OCD-funktionen hos HMSR gör detekteringen mycket enklare, vilket förhindrar att utrustningen överhettas. Att ha tillgång till två oberoende OCD-enheter ger möjlighet att övervaka överbelastningar och kortslutningar separat.

Naturligtvis kan kraven på isolation vålla problem vid utformandet av IC-kapslar när det gäller att välja strömsensor. Inom området industriell solenergi används ofta högre DC-spänningar – upp till 1 500 V – för att öka DC/AC-effektförhållandena. Detta ökar drastiskt kraven på isolation för strömomvandlaren.

Det långa inre avståndet mellan primär- och sekundärsidan hjälper till att isolera primärsidan från resten av IC-kretsen, vilket garanterar en mycket hög isolation vid 4,95 kVRMS (vid 50 Hz under 1 minut). Denna nivå garanteras för 100 procent av levererade produkter som testas under produktionen. De små dimensionerna hos HMSR möjliggör 8 mm krypavstånd och frigång.

Ett högre CTI-värde (Comparative Tracking Index) innebär att det krävs ett mindre lägsta krypavstånd. Med ett CTI högre än 600 enligt IEC 62109-1 (Safety of power converters for use in photovoltaic power systems) uppnår arbetsspänningen för HMSR 1 600 V, vilket gör den idealisk för sådana ytterst krävande applikationer.

Ett annat nyckelkrav inom solenergi är att utrustningarna skall tåla stötströmmar upp till 20 kA för att klara åsknedslag. Med HMSR placerad direkt på de strängingångar som riskerar att utsättas för nedslag kommer komponenterna att vara ytters tåliga mot så kraftiga stötströmmar. HMSR har verkligen konstruerats och testats för denna nivå enligt den standardiserade testprofilen för 8/20 µs stötar.

Fig 10. Typisk profil för överströmstöt i applikationer inom solenergi

Fig 11. HMSR-demokort

Damien Leterrier, Thomas Hargé och Stéphane Rollier, LEM

Filed under: Effekthalvledare, Stromforsorjning