Un pas înainte către miniaturizare în detecția curentului pentru sistemele de conversie de putere

Sistemele moderne de conversie de putere trebuie să devină simultan mai eficiente, mai mici și mai ieftine decât generațiile anterioare de astfel de sisteme. Având în vedere acest lucru, compania elvețiană LEM, lider global în detecția de curent și tensiune, și-a pus la dispoziție experiența în domeniu pentru a crea o capsulă cu un singur cip, HMSR.

Calea uzuală de a măsura curentul este de a utiliza senzori cu efect Hall în buclă deschisă. Câmpul magnetic creat de un curent este capturat de un miez magnetic și măsurat de un element Hall. Mai recent, ASIC-uri dedicate au ajutat la creșterea preciziei globale a sistemului, prin utilizarea unor tehnici avansate de compensare.

Figura 1: Principiul tehnologiei în buclă deschisă, utilizând un cip tradițional cu efect Hall sau un ASIC dedicat

Prima mișcare a firmei LEM pentru miniaturizare cu produse LTSR a avut loc în deceniul trecut. În acel moment, cea mai bună cale de a sigura performanțe optime era utilizarea tehnologiei cu efect Hall în buclă închisă în combinație cu un ASIC special în buclă închisă, proiectat de LEM. Evoluția tehnologiei ASIC-urilor a permis dezvoltarea de senzori cu efect Hall în buclă deschisă capabili de un nivel de performanță apropiat de cel al tehnologiei în buclă închisă. Nu numai că tehnologia în buclă deschisă a simplificat reducerea dimensiunii componentelor, ci, mulțumită structurii mai simple și consumului energetic mai mic, a adus și îmbunătățiri de cost solicitate de piață. În acest deceniu s-a urmărit dezvoltarea seriei HLSR, care, nu numai că furnizează performanțe ridicate în termeni de decalaj (offset) și derivă, ci oferă și un timp de răspuns excelent – toate acestea într-o capsulă mică îndeajuns pentru aplicații tip PCBA cu o înălțime de numai câțiva milimetri.

Figura 2: Evoluția în timp a dimensiunii senzorilor de curent

LEM a utilizat cunoștințele sale extinse și experiența de proiectare, acumulate pe parcursul multor ani, pentru a crea HMSR, un senzor de curent de ultimă oră, care satisface cerințele continue ale pieței cu privire la reducerea costurilor, îmbunătățiri ale performantelor și miniaturizare.

Cu această nouă serie, LEM își extinde gama sa miniaturală de senzori de curent pentru măsurarea curenților izolați AC și DC. Noile modele HMSR sunt ușor de utilizat pentru că ele includ un conductor primar de joasă rezistență (care minimizează pierderile de putere), o ferită miniaturală și un ASIC patentat pentru a permite măsurarea directă a curentului și performanțe de izolație consistente.

Această nouă categorie de produse include deja 6 curenți nominali – 6A, 8A, 10A, 15A, 20A și 30A – cu un interval de măsurare de 2.5 ori mai mare decât curentul nominal disponibil într-o capsulă cu amprenta precum SOIC 16. Modelele standard oferă o tensiune analogică de ieșire cu diferite nivele de sensibilitate disponibile, cu versiuni de alimentare la 5V oferind o tensiune de ieșire de 800 mV @ IPN.

Figura 3: Senzor de curent HMSR

Sunt integrate două unități OCD (detecție supracurent) – (OCD – Over Current Detection) care separă calea aplicației de control, față de bucla de siguranță. Aceste OCD-uri au două praguri dedicate – unul stabilit intern la 2.93 × I_PN ca prag și unul extern al cărui prag poate fi reglat de către utilizator.

Cu toate acestea, senzorii HMSR nu trebuie văzuți la fel de simplu ca traductoarele cu efect Hall în buclă deschisă bazate pe ASIC. Conductorul primar unic al HMSR permite curenți punctuali de suprasarcină și nivele ridicate de izolație. Toate acestea sunt combinate cu circuitul magnetic bazat pe ferită pentru a oferi imunitate excelentă împotriva câmpurilor externe neomogene ce apar în aplicațiile de electronică de putere. Acest lucru permite ca HMSR să fie utilizat în medii cu nivele ridicate de perturbații.

Ferita utilizată în HMSR este, de asemenea, un factor cheie în atingerea unei benzi de înaltă frecvență de 270kHz (-3dB) și face posibilă obținerea unei bune eliminări a efectului câmpurilor externe.

Figura 4: Precizie globală și liniaritate tipice pentru modelul HMSR 20-SMS (de la -40°C la +125°C)

Aceste proiecte cu ASIC-uri dedicate combină tehnici dovedite în funcționare, precum modulare tip spinning, compensare a temperaturii interne programabilă (EEPROM) pentru valori îmbunătățite ale amplificării, decalajului și derivei. Rezultatul constă din nivele ridicate ale preciziei pe un domeniu de temperaturi, de la -40°C la +125°C cu o valoare tipică de 0.5% din I_PN (modelul HMSR 20-SMS). Aplicațiile de conversie a puterii precum unitățile sau invertoarele solare solicită nivele ridicate ale randamentului, iar acestea pot fi atinse doar dacă bucla de control este precisă.

Figura 5: Timp de răspuns HMSR.

Caracteristicile preciziei cu temperatura au fost substanțial îmbunătățite în cazul HMSR prin comparație cu generația anterioară de produse. Graficele de mai jos prezintă nivelul scăzut al erorii globale tipice pe curentul măsurat cu HMSR 20-SMS, precum și liniaritatea foarte bună pe domeniul foarte larg de temperatură (de la -40°C la +125°C).

Cu toate acestea, o asemenea precizie nu este suficient dacă nu are în spate și un timp de răspuns rapid. În acest moment, dezvoltarea unui IGBT rapid, precum tehnologia bazată pe SiC, crește posibilitatea de a lucra cu o frecvență de comutație mai mare –HMSR a dovedit că este gata de implementarea unei astfel de tehnologii, cu timpi de răspuns sub 2 µs (vedeți Figura 5).

În numeroase aplicații, senzorii HMSR pot fi montați direct pe un circuit imprimat, precum dispozitivele SO16 SMD, reducând costurile de fabricație și oferind o economie de spațiu atât de necesară pentru medii cu restricții în acest sens. Cu o înălțime de numai 6 mm, HMSR oferă economie de spațiu semnificativă în aplicații, făcându-l ideal pentru plasarea sub radiatorul plasat peste modulele de putere inteligente (IPM – Intelligent Power Modules) (vedeți Figura 6).

Figura 6: HMSR montat cu un IPM.

Un alt domeniu unde HMSR va aduce avantaje semnificative în termeni de măsurare curent este acela al aplicațiilor cu energie solară.

În particular, urmărirea punctului de putere maximă (MPPT – Maximum Power Point Tracker), un element important în conversia energiei solare, este o colecție de componente care maximizează puterea generată de un panou fotovoltaic (PV). El face acest lucru prin stabilizarea curentului și tensiunii în funcție de temperatură, lumina solară și rezistența totală a sistemului. Sistemul de control analizează permanent ieșirea sistemului după injectarea unei mici perturbații (utilizând metoda de perturbație și observare). MPPT analizează apoi puterea rezultată (prin detectarea tensiunii și curentului) și deduce parametrul de modificat pentru a atinge punctul de putere maximă (MPP). MPPT schimbă apoi semnalul PWM (Pulse Width Modulation) pentru a adapta tensiunea convertorului DC/DC.

Figura 7: Punctul de putere maximă (MPP)

Cu cât precizia este mai mare și zgomotul este mai redus, cu atât performanțele MPPT vor fi mai mari. Utilizând recentul ASIC de la LEM, HMSR furnizează un semnal de înaltă precizie și nivel de zgomot foarte redus, ceea ce permite sistemului să opereze la nivelul său optim.

Mai mult, monitorizarea curentului pe string-uri (n.r.: un set de celule sau module solare conectate în serie se numește “string”) face posibilă compararea câtorva string-uri și detectarea problemelor precum legături întrerupte, murdărie pe panourile solare și umbre create de creșterea copacilor. Aici, precizia excelentă a HMSR va permite comparația cu ușurință a string-urilor.

Suplimentar, convertorul DC/DC utilizat în MPPT utilizează stabilizare de înaltă frecvență (în jur de 80kHz), creând o valoare ridicată a dV/dt, ceea ce este periculos pentru componentele electronice. Mulțumită proiectului de mare robustețe, HMSR oferă rezistență semnificativă într-un asemenea mediu zgomotos.

Figura 8: Arhitectură MPPT

Această imunitate poate fi cu ușurință verificată prin aplicarea pe senzor a unei valori dV/dt și apoi prin observarea reacției de ieșire. Graficul prezentat în figura 9 prezintă mica perturbație ce este creată prin aplicarea pe senzor a dV/dt. Eroarea generată este de numai 3% din scala totală, cu un timp de revenire de 3.8 µS.

HMSR 20-SMS testat cu un puls de tensiune de ±1000 V la 20kV/µS. Figura 9: Eroare generată la ieșirea HMSR după aplicarea dV/dt

Cele două OCD-uri disponibile, integrate în HMSR vor proteja, de asemenea, tranzistoarele de pe invertor la scurtcircuit și suprasarcină. Acest mod de detecție și protecție este o caracteristică importantă pentru numeroase aplicații precum HVAC pe legătura DC sau comandă motoare. Majoritatea driverelor moderne cu frecvență variabilă (VFD – Variable-Frequency Drives) încorporează un algoritm de suprasarcină motor, iar funcția OCD de pe HMSR va face detecția mult mai ușoară, prevenind supraîncălzirea echipamentului. Beneficiind de două ODC-uri distincte, se oferă oportunitatea de a monitoriza separat suprasarcina și scurtcircuitul.

Desigur, cerințele de izolație ar putea fi o problemă pentru adoptarea capsulelor de circuite integrate, atunci când se pune problema alegerii unui senzor de curent. De exemplu, în industria centralelor solare se utilizează adesea tensiuni DC ridicate, până la 1500V pentru a crește raportul de putere DC/AC. Acest lucru crește dramatic necesitățile de izolație ale unui convertor de curent.

Distanța internă mare dintre partea primarului și cea a secundarului ajută la izolarea magistralei primare față de restul circuitului integrat, oferind un nivel foarte ridicat de izolație garantat la 4.95kV_RMS (la o tensiune de izolație AC de 50 Hz, 1 min). Acest nivel va fi garantat pentru 100% dintre produsele expediate, care sunt testate pe linia de producție. Amprenta specială a HMSR permite distanțe de degajare și linie de fugă de 8mm pe terminale.

Figura 10: Profil tipic de supracurent în aplicații cu energie solară

Figura 11: Placă demonstrativă HMSR disponibilă ca mostră

Un index de urmărire comparativă (CTI – Comparative Tracking Index) mai mare înseamnă că este necesară o distanță de linie de fugă minimă joasă, iar pentru CTI > 600, în acord cu IEC 62109-1 (Siguranța convertoarelor de putere pentru utilizare în sisteme de energie fotovoltaică), tensiunea de lucru pentru HMSR atinge 1600V, ceea ce înseamnă că este ideal potrivită pentru astfel de aplicații cu constrângeri ridicate.

O altă cerință cheie în industria solară este aceea că echipamentele necesită să fie tolerante la variații tranzitorii de până la 20kA pentru a oferi o protecție eficientă la fulgere. Cu HMSR plasat direct pe intrările string-urilor care sunt expuse la fulgere, componentele vor fi extrem de robuste la variații tranzitorii de curent așa de puternice. Într-adevăr, HMSR a fost proiectat și testat la acest nivel în acord cu profilul de testare standard la variații tranzitorii 8/20 µS.

LEM a dezvoltat o placă de evaluare HMSR care face posibilă realizarea rapidă a unui prototip și testarea performanțelor extraordinare ale acestei noi generații de senzori. Disponibilă la ora actuală ca mostre la cerere, această nouă linie de produse va intra în producție de masă în prima parte a anului 2020.

Date tehnice principale ale HMSR

Autori: Damien Leterrier, Thomas Hargé și Stéphane Rollier

LEM   |   https://www.lem.com