FőoldalRendszerintegrátorAz árammérési megoldások miniatürizálása
2020. február 17., hétfő ::

Az árammérési megoldások miniatürizálása

A modern teljesítménykonverziós rendszereknek egyszerre kell kiváló hatásfokúnak, kis méretűnek és olcsónak lenni, ami a generációról generációra bekövetkező fejlődési kényszer miatt egyre nehezebb feladatot jelent. Ennek tudatában az áram- és feszültségérzékelő megoldások egyik globális vezető cége, a svájci LEM tudásának legjavát felhasználva alkotta meg egychipes megoldását, amelyet HMSR névre kereszteltek

Az áramerősség-mérésnek egyik hagyományos útja-módja az ún. nyílthurkú Hall-szenzoros módszer. Az elektromos áram által gerjesztett mágneses teret egy mágnesezhető mag érzékeli, a mérést pedig Hall-cella végzi. Az utóbbi idők egyik jelentős fejlesztése folytán dedikált berendezésorientált, integrált áramkörök (ASIC) segítségével vált ez a mérési módszer jelentősen pontosabbá, köszönhetően a kifinomult kompenzációs technikáknak.

1. ábra. A nyílthurkú árammérési technika blokkvázlata dedikált berendezésorientált áramkörbe épített Hall-mérőcella segítségével

A LEM az előző évtizedben a feladat megoldását az LTSR sorozatnevű fejlesztésével kezdte, amely már miniatürizálási törekvésnek számított. Abban az időben az optimális teljesítmény elérését a zárthurkú Hall-mérőcellás megoldás jelentette, amelyet a LEM által kifejlesztett, speciális, zárthurkú ASIC-es háttértámogatással kombináltak. Az ASIC-technológia fejlődése lehetővé tette a nyílthurkú Hall-mérőcellán alapuló szenzorok megszületését, amelyek teljesítmény tekintetében a zárthurkú megoldásokhoz zárkóztak fel. A nyílthurkú technológia előnyét nem csupán az alkatrészméretek csökkentésének lehetősége jelentette, hanem azok a költségtényezőt érintő előnyök is, amelyek elősegítették a piaci igényeknek való megfelelést, nevezetesen az egyszerűbb felépítésüknek és a csökkentett energiaigényüknek köszönhetően. Ez az évtized mondhatja magáénak a HLSR-sorozat megszületését, amely nemcsak ofszet- és driftjellemzők, hanem válaszidő tekintetében is tudhat magáénak nagyobb teljesítményt, mindezt pedig egy annyira kedvezően kis méretű tokozásban, amely a mindössze néhány milliméter magas, szerelt, nyomtatott áramköri hordozók igényeinek is megfelel.

2. ábra. Az árammérő szenzorok fejlődése és méretcsökkenése az elmúlt évtizedekben

A LEM az évtizedek során felhalmozott minden tudását és tapasztalatát latba vetve tervezte meg és hozta létre a HMSR-sorozatot, egy olyan, valódi csúcstechnológiás árammérő szenzort, amely képes a piaci igényeket kielégíteni költségcsökkentés, teljesítmény és miniatürizálási követelmények tekintetében.

3. ábra. A LEM által kifejlesztett, HMSR-sorozatú árammérő szenzor

Az új HMSR-sorozat birtokában a LEM jelentős mértékben és minőségben bővítette ki árammérő szenzoros termékkínálatát egyen- és váltakozó áram mérésére. Az új HMSR-sorozatú modellek használata is rendkívül egyszerű és tervezőbarát, köszönhetően a kis ellenállású (ezáltal kis veszteségű) primer vezetőnek, a miniatűr ferritnek és a saját fejlesztésű, feladatoptimalizált ASIC-nek, amelyek így karöltve közvetlen árammérést tesznek lehetővé és konzisztens szigetelési teljesítményt biztosítanak.
Az új sorozat hat különböző névleges áramú változatot tartalmaz (6, 8, 10, 15, 20 és 30 A), amelyek mérési tartománya a névleges áram 2,5-szerese, és egy SOIC-16-hoz hasonló fizikai adottságú tokozásban kerülnek szállításra. A standard modellek analóg feszültségkimenettel és különböző érzékenységi szintekkel érhetők el, 5 V tápfeszültségigény és 800 mV kimeneti feszültség mellett.
Az új szériába beépítésre kerül két túláram-detektáló (OCD – Over-Current Detection) egység is, amelyek elválasztják egymástól a vezérlést és a biztonsági hurkot. Az OCD-k két dedikált kivezetőn érhetők el, és egyikük a primer áram 2,93-szorosára van állítva, míg a másikat maga a felhasználó definiálhatja.
A HMSR-sorozatú szenzorokat tévedés lenne szimpla nyílthurkú Hall-mérőcellás, ASIC-alapú mérőjel-átalakítónak tekinteni. A HMSR-sorozat egyedi kialakítású, primer vezetője ugyanis rendkívül jó leválasztást és túlterhelhetőséget biztosít, amely a ferritalapú mágneses körrel kombinálva kiváló immunitást biztosít az inhomogén külső terekkel szemben, amely a teljesítményelektronikai alkalmazásokra igencsak jellemző körülmény. Ez lehetővé teszi azt is, hogy a HMSR-t elektromos/mágneses zajjal jelentősen terhelt környezetben használják fel. A HSMR-ben használt ferrit kulcsfontosságú a nagy, 270 kHz-es nagyfrekvenciás sávszélesség (–3 dB) szempontjából, lehetővé téve a külső zavaró terek kiváló hatásfokú elnyomását.
A dedikált ASIC-es kialakítás sokat próbált gyakorlati megoldások implementálását teszi lehetővé (például EEPROM-alapú, beépített termikus kompenzációval), előnyös erősítési és ofszetdriftelési tulajdonságokkal felruházva a mérőrendszert. Mindennek eredménye a teljes –40 … 125 °C-ban hőmérséklet-tartományban rendelkezésre álló, kiváló mérési pontosság, amely számszerűsítve IPN jellemzően 0,5%-a a HMSR 20-SMS modell esetében. Ez jó hír olyan nagy hatásfokot igénylő alkalmazások esetében, mint például a megújuló energiás inverterek és hajtások, ahol a hatásfok csak akkor tartható az elvárható szinten, ha a vezérlőhurok pontos marad.
A hőmérséklet függvényében mérési pontosságot leíró függvények az új HMSR-sorozat esetében jelentősen kedvezőbbek, mint az előző generációs megoldásoknál. A 4. ábrán látható grafikonok a jellemző hibaértéket és linearitást mutatják a mért áram függvényében a HMSR 20-SMS szenzor esetében a –40 … 125 °C működés hőmérséklet-tartományban.

4. ábra. A HMSR 20-SMS modell jellemző pontossági és linearitási függvényei a –40 … 125 °C működési hőmérséklet-tartományban

Ez a pontosság azonban önmagában nem elég, ha nem egészíti ki rövid válaszidő. Ebből kifolyólag egy gyors (jellemzően SiC-alapú gyártástechnológiájú) IGBT alkalmazása lehetővé teszi nagyobb kapcsolási frekvencia alkalmazását, így a HMSR-sorozat valójában teljesen alkalmas arra, hogy 2 µs kapcsolási időnél is nagyobb gyorsaságot igénylő alkalmazásokban használhassák fel (lásd 5. ábra).

5. ábra. A HMSR-sorozat válaszidő-görbéi

A HMSR szenzorok számos alkalmazásban közvetlenül integrálhatók a nyomtatott áramköri kártyára SO16-típusú felületszerelhető alkatrészként, amely elősegíti a gyártási költségek alacsonyan tartását és a megfelelést a helytakarékos alkalmazások számára. A mindössze 6 mm magasságú HMSR lényegében bármely alkalmazásban helytakarékos megvalósíthatóságot kínál, lehetővé téve egyebek mellett az intelligens teljesítményelektronikai modulok (IPM-ek – Intelligent Power Module) hűtőbordái alatt történő elhelyezést (lásd 6. ábra).

6. ábra. Intelligens teljesítményelektronikai modul szomszédságában elhelyezett HMSR szenzormodul

Egy másik alkalmazási szakterület, ahol a HMSR-sorozatú szenzorok rendkívül előnyösen alkalmazhatók, a megújuló energiás, különös tekintettel a napenergiát hasznosító rendszerek. A napenergiát hasznosító és konvertáló rendszereknél az MPPT (Maximum Power Point Tracker) segítségével lehetséges a konverziós hatékonyság maximalizálása. Lényegét tekintve az MPPT alkatrészek egy olyan együttese, amelyek a fotovoltaikus panelek által generált elektromos teljesítmény maximalizálását segítik elő. Ez a gyakorlatban az áram és feszültség hőmérsékletfüggő, napsütésfüggő és rendszerellenállás-függő szabályozását jelenti. A vezérlőrendszer zavarinjektálás hatására folyamatosan elemzi a rendszerkimenetet (a „zavarás, majd megfigyelés” elv alapján). Az MPPT ennek hatására elemzi a rendelkezésre álló teljesítményt (az áram és feszültség mérése útján), amelyből következtetéseket von le a megváltoztatásra kijelölendő paraméterek tekintetében azért, hogy a maximális teljesítményt megadó munkaponthoz a rendszer mind közelebb kerülhessen. Az MPPT ezután a szükségesnek megfelelően variálja a DC/DC-konverter impulzusszélesség-modulációs (PWM – Pulse Width Modulation) paramétereit.

7. ábra. A maximális elérhető teljesítményt biztosító munkapont (MPP – Maximum Power Point)

8. ábra. Az MPPT architektúra

Minél nagyobb a pontosság és minél alacsonyabb a zaj, annál jobb lesz az MPPT teljesítménye. A LEM HMSR-sorozatba integrált, csúcstechnológiás ASIC-megoldása kiváló pontosságú és nagyon alacsony zajú jelet produkál, amely biztosítja a rendszer optimális szinteken történő működését. Mi több, a szigorú lánc-árammonitorozás lehetővé teszi a különböző napelemláncok paramétereinek összehasonlítását is, amelyek alapján megállapíthatók olyan hibajelenségek, mint helytelen/sérült huzalozás, elkoszolódott napelemek, magasodó fák árnyékoló hatása stb. Ezekben az esetekben a HMSR kimagasló pontossága tökéletes alapot ad a különböző napelemláncok teljesítményének pontos összehasonlítására.
Az MPPT-ben működő DC/DC-átalakító nagyfrekvenciás, 80 kHz környéki kapcsolási frekvenciájú szabályozást alkalmaz: ez olyan gyorsaságú feszültségváltozás-lekövetést (dV/dt) eredményez, amelyre az elektronikai alkatrészek érzékenyek lehetnek. Robusztus felépítése okán a HMSR-sorozatú szenzorok ilyen jellegű zajjal szemben kiváló ellenálló képességűek, és támogatják ezt a fajta felhasználást. Az immunitás könnyen ellenőrizhető a megfelelőnek gondolt dV/dt sebességű feszültségváltozás szenzorra kényszerítésével és a kimeneti reakció megfigyelésével. A 9. ábrán látható grafikon a szenzorra kényszerített dV/dt-jel által kifejtett, csekély zavart szemlélteti, amely mindössze 3% hibát és rövid, 3,8 µs helyreállási időt jelent.

9. ábra. A HMSR-szenzor kimenetén jelentkező hiba a dV/dt feszültségváltozás hatására (tesztkörülmény: HMSR 20-SMS szenzor, ±1000 V impulzus, 20 kV/µs sebesség)

A HMSR-sorozatú szenzorokban elérhető, két túláram-detektáló kiváló védelmet nyújt az inverter tranzisztorai számára rövidzárlat és túlterhelés ellen. Ez a fajta hibaesemény-detektálás és védelem rendkívül fontos olyan alkalmazások számára, mint motoros hajtások vagy szellőztetőrendszerek. A legtöbb modern változtatható frekvenciájú hajtás (VFD – Variable Frequency Drive) tartalmaz motortúlterhelés ellen védő algoritmust, a HMSR-sorozatú szenzorokban található túláramvédelem pedig ehhez kiváló támogatást nyújt, és sokkal könnyebbé teszi a detektálást, meggátolva a berendezés túlmelegedését. A két különböző túláramdetektorral a túlterhelés és rövidzárlat külön-külön monitorozható.
Természetesen a szigetelési követelmények jelenthetnek problémát, ha árammérő szenzor választásáról beszélünk. Példának okáért a napelemfarmok erőműveinél gyakran találkozhatunk akár 1500 V nagyságú egyenfeszültség-szintekkel a DC/AC arányok javításából kifolyólag, amely egyfelől jó, másfelől viszont egyúttal jelentősen megnöveli az áramkonverterekkel szemben támasztott szigetelési követelményeket is.
A HMSR primer és szekunder oldala közötti, nagy belső távolság elősegíti a primer sín és az integrált áramkör többi része közötti, hatékony szigetelést, amely számszerűleg 4,95 kVRMS garantált szigetelést jelent (váltakozó áramú szigetelésteszteléssel mérve, 50 Hz frekvencián, 1 perc ideig). Ez a szigetelés a kiszállított szenzorok 100%-ánál, minden kitétel nélkül garantált, rendelkezésre állóságát gyártási tesztelés szavatolja. A HMSR speciális kivezetőkiosztása 8 mm kúszókisülést biztosít. A nagy értékű, 600 feletti CTI azt jelenti, hogy kisebb minimális kúszókisülési távolságra van szükség a napelemes rendszerek energiaátalakítóinak biztonsági követelményeit leíró IEC 62109-1 szabvány szerint. A HMSR-sorozat üzemi feszültsége elérheti az 1600 V-ot, amely ideális feltételeket jelent a célalkalmazások követelményeinek tekintetében.
A napelemes rendszerek egy további komoly követelményét jelenti, hogy a rendszerelemeknek ellenállónak kell lenniük a áramlökésekkel szemben akár 20 kA mértékig, annak érdekében, hogy megfelelően villámvédettnek legyenek tekinthetők. A HMSR-t közvetlenül a napelemláncok villámcsapásnak kitett bemenetén elhelyezve biztosítható, hogy az utána következő alkatrészek rendkívül toleránsak lesznek a nagy teljesítményű áramlökésekkel szemben. A HMSR-t valójában pontosan ekkora mértékű ellenállással fejlesztette ki a LEM, magyarán: a standard 8/20 µs-os lökésprofil mellett épp ekkora ellenállást biztosít.

10. ábra. A napenergiás rendszerekre jellemző, tipikus túláramprofil

A fejlesztőmérnökök kedvéért a LEM kifejlesztett egy demókártyát is a HMSR szenzorral a fedélzetén, amely segítségével a cég reményei szerint nagyon gyors és hatékony prototípusfejlesztés végezhető, jó alapot adva a szenzor minden lényeges előnyének optimális kihasználásához. Az igény esetén mintaként elérhető HMSR-sorozatú szenzorok 2020 elején kerülnek tömeggyártásba.

11. ábra. HMSR szenzort tartalmazó demópanel prototípusfejlesztési célokra

A HMSR-sorozatú szenzorok főbb műszaki paraméterei:

lem 20 1 tabla

A LEM honlapja

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény