Další krok v miniaturizaci. Snímání proudu v systémech přeměny energie

Moderní systémy přeměny energie musí trvale dosahovat vyšší účinnosti a přitom být menší a levnější než předchozí generace. Ve švýcarské společnosti LEM, která v oblasti snímání napětí a proudu udává směr, si to velmi dobře uvědomují. Své znalosti proto využili také při návrhu obvodů HMSR, které vše řeší v rámci jediného pouzdra s čipem.

Tradiční způsob snímání proudu využívá Hallova jevu u snímačů, které pracují v otevřené zpětnovazební smyčce. Magnetické pole vytvářené protékajícím proudem je zachytáváno magnetickým jádrem a měřeno Hallovým článkem. Pozdější, speciálně navržené struktury ASIC pak pomohly zvýšit celkovou přesnost systému na základě moderních kompenzačních postupů.

Společnost LEM se v minulé dekádě (článek je překládán v roce 2019, pozn. red.) nejprve pustila do miniaturizace s produkty LTSR. Nejlepší způsob, jak tehdy zajistit optimální vlastnosti, spočíval ve využití Hallova jevu v návaznosti na speciální obvod ASIC pracující v uzavřené smyčce, který byl navržen stejným výrobcem. Rozvoj technologie prvků ASIC poté umožnil vyvinout senzory založené na Hallově jevu, které sice pracují v otevřené smyčce, ale svými parametry se dokážou přiblížit úrovním dosažitelným právě s uzavřenou smyčkou. Technologie otevřené smyčky se však nepodepsala jen pod omezenou velikostí součástek, ale zajistila též i nižší cenu, kterou trh vyžadoval. Struktura se totiž zjednodušila a klesla i výkonová spotřeba. Toto desetiletí již bylo ve znamení řady HLSR, která zajistila nejen lepší výsledky v otázce offsetu či driftu, ale také skvělé dynamické parametry. To vše v provedení pouzdra, které je dostatečně malé na to, aby vyhovělo aplikacím na deskách plošných spojů s výškou jen pár milimetrů.

Společnost LEM nyní využila svého „know-how“ a širokých znalostí, které získala v průběhu mnoha let, a vyvinula model HMSR – nejmodernější proudový snímač, který uspokojí neustálé volání po ještě nižší ceně, lepších technických parametrech a stejně tak i po pokračující miniaturizaci. Díky této nové řadě výrobce rozšiřuje svou nabídku miniaturních proudových senzorů vhodných pro střídavá i stejnosměrná měření proudu s galvanickým oddělením. Nové modely HMSR jsou jednoduše použitelné, protože obsahují vodič pro vedení primárního proudu s nízkým vlastním odporem, a tudíž i nízkými ztrátami, a dále miniaturní ferit, který společně s obvodem ASIC zajišťuje přímé měření proudu s galvanickým oddělením.

Nová kategorie produktů v provedení srovnatelném s pouzdry typu SOIC 16 již zahrnuje celkem šest různých typů se jmenovitými proudy 6 A, 8 A, 10 A, 15 A, 20 A a také 30 A s měřicím rozsahem 2,5násobku nominálního zatížení. Standardní verze pak nabízí analogový napěťový výstup s úrovněmi a citlivostí odpovídající rozsahu. Při napájecím napětím 5 V mají jednotlivé modely při IPN výstupní napětí 800 mV.

Součástí struktury jsou rovněž dva bloky OCD (Over Current Detection), které oddělují cestu řízení aplikace od bezpečnostní smyčky. OCD zde přitom využívá dvou jednoúčelových vývodů. Jeden bude mít pro ochranu interně nastavený práh na úroveň 2,93xIPN , zatímco ve druhém případě lze práh pro spouštění definovat uživatelem.

Snímače HMSR však nelze vnímat jen jako jednoduché senzory založené na obvodech ASIC, které využívají Hallova jevu a pracují v otevřené smyčce. Unikátně navržené primární vedení se totiž u modelu HMSR vyrovná jak s proudovým přetížením, tak vyhoví i z hlediska vysoké úrovně galvanického oddělení. To vše v návaznosti na feritový magnetický obvod zajišťující vynikající odolnost vůči vnějším rušivým polím, s nimiž se v oboru výkonové elektroniky běžně setkáváme. Čidla HMSR lze proto nasadit i v prostředí s vysokými úrovněmi rušení. Ferit využitý ve snímači HMSR rovněž hraje klíčovou roli při dosažení velké šířky pásma 270 kHz (–3 dB), přičemž senzor stále vykazuje solidní odolnost vůči externím polím.

Při návrhu jednoúčelového obvodu ASIC se kombinují osvědčené techniky jako spinning, programovatelná vnitřní kompenzace teploty s využitím EEPROM pro zlepšení stability zesílení a zmenšení kolísaní offsetu. Ve výsledku tak obdržíme vysokou přesnost, která navzdory teplotnímu rozsahu od –40 °C až do +125 °C dosahuje typické úrovně 0,5 % z IPN (platí pro variantu HMSR 20-SMS). V aplikacích pro přeměnu elektrické energie, jako jsou střídače pro solární techniku nebo elektrické pohony s vysokou účinností, lze v řídicí smyčce dosáhnout vysoké přesnosti.

V porovnání s předchozí generací produktů byla u snímačů HMSR výraznou měrou navýšena přesnost v závislosti na teplotě. Přiložený graf na obr. 4 zachycuje nízkou hodnotu celkové chyby v závislosti na měřeném proudu s čidly HMSR 20-SMS, stejně jako velmi dobrou linearitu napříč širokým teplotním rozsahem (–40 °C až +125 °C). Taková přesnost však ještě nemusí stačit, nebude-li podložena rychlou odezvou. V případě, že pracujeme s rychlými tranzistory IGBT nebo technologiemi na bázi SiC, lze očekávat vyšší spínací kmitočty. Prvky HMSR jsou na takové náročné situace připravené, protože dle obr. 5 zajistí dobu odezvy do 2 μs.

V řadě aplikací lze senzory HMSR osadit přímo na desku plošného spoje jako SMD součástku v pouzdru SO16, což sníží výrobní náklady a ušetří místo v případě velké hustoty osazení desky. Při výšce pouhých 6 mm to budou výrazné úspory, zvláště když vše osadíme rovnou pod chladič, společně s bezpotenciálovými výkonovými moduly IPM (Intelligent Power Modules) – viz také obr. 6.

Další oblastí, ve které vytváří obvody HMSR významný přínos, budou solární aplikace. Klíčovým požadavkem se při konverzi solární energie stává zejména funkce sledování bodu maximálního výkonu MPPT (Maximum Power Point Tracker). Jedná se o soubor postupů, které mají za cíl co nejvíce zvýšit výkon generovaný fotovoltaickým (PV) panelem. Výsledku pak dosáhneme na základě regulace proudu a napětí v závislosti na teplotě, slunečním svitu a celkovém zatěžovacím odporu systému. Řídicí systém nepřetržitě analyzuje výstup panelu v reakci na malé vnucené odchylky slunečního svitu. Funkce MPPT poté na základě snímání napětí a proudu vypočte optimální výsledný výkon a stanoví parametr, který je pro dosažení bodu maximálního výkonu MPP (Maximum Power Point) nutné změnit. S ohledem na napětí DC/DC měniče rovněž upravuje pulzně-šířkovou modulaci PWM. MPPT potom změnou pulzů v PWM (Pulse Width Modulation) modulaci upraví napětí DC/DC měniče.

Aby bylo možné dosahovat s funkcí MPPT lepších výsledků, potřebujeme pracovat s vyšší přesností a také menším rušením. Díky nejmodernějším strukturám ASIC od společnosti LEM zajistí snímače HMSR precizní signály s velmi nízkou hladinou šumu a soustava tak může pracovat na optimální úrovni. A nejen to. Monitorování proudu jednotlivých řetězců fotovoltaických panelů (stringů) umožňuje porovnávat několik řetězců a odhalit přitom potíže, jako je např. porucha vedení, nečistota na panelech nebo i stíny vytvářené rostoucími stromy okolo. Srovnávání řad mezi sebou je opět podmíněno vysokou přesností senzorů HMSR.

DC/DC měniče kromě toho při regulaci ve spojení s MPPT využijí vyšší kmitočty (okolo 80 kHz) a způsobují přitom citelné změny dV/dt, které již pro elektronické součástky představují riziko. Prvky HMSR však díky svému robustnímu návrhu nabídnou v takto zarušeném prostředí pozoruhodnou odolnost. Imunitu lze ostatně jednoduše prověřit, způsobíme- li napěťovou změnu dV/dt a následně pak u snímače zaznamenáme reakci výstupu. Průběhy na obr. 9 zachycují malé rušení způsobené u senzoru v návaznosti na změnu dV/dt. Následná chyba činí jen tři procenta z plného rozsahu, zatímco k zotavení dochází v průběhu 3,8 μs. Prvky HMSR 20-SMS byly vystaveny pulznímu napětí ±1 000 V při rychlosti přeběhu 20 kV/μs.

K ochraně tranzistorů ve střídačích před zkraty a přetížením přispívají také dvě vestavěné ochrany OCD snímačů HMSR. Bez takového způsobu detekce a zabezpečení se neobejdeme v celé řadě aplikací (HVAC na stejnosměrném vedení či buzení motorů). Většina moderních VFD (variablefrequency drive – pohon s proměnným kmitočtem) je vybavena algoritmem chránícím motor před přetížením. Snímače HMSR s funkcí OCD zde zajišťují výrazně jednodušší detekci a zabraňují tím přehřátí zařízení. Máme-li navíc dva odlišné bloky OCD, dostáváme příležitost sledovat přetížení a zkraty samostatně.

Při výběru proudového snímače může integrované provedení vytvářet z hlediska požadavků kladených na galvanické oddělení problém. Solární elektrárny kupříkladu často využívají vyšších stejnosměrných napětí až do 1 500 V s cílem zlepšit výkonové poměry (DC/AC). Požadavky na izolaci se tak u proudových senzorů výrazně navyšují.

Velká vnitřní vzdálenost mezi primární a sekundární stranou přispívá ke kvalitnímu oddělení primární strany od zbytku integrovaného obvodu a zajišťuje tím velmi vysoký stupeň izolace testovaný při 4,95 kVRMS (test izolace střídavým napětím o kmitočtu 50 Hz, 1 minuta). Taková úroveň je garantována pro 100 procent vyrobených produktů, které jsou testovány již v průběhu montáže. Speciální rozvržení vývodů HMSR kromě toho umožňuje po umístění na desce pracovat se vzdušnou a povrchovou vzdáleností 8 mm.

Vyšší index CTI (Comparative Tracking Index) umožňuje menší potřebné minimální vzdálenosti. Společně s CTI větším než 600 (dle IEC 62109-1, Safety of power converters for use in photovoltaic power systems) dosahuje pracovní napětí v případě modelů HMSR až 1 600 V, což je předurčuje právě pro zmiňované náročné aplikace.

Dalším klíčovým požadavkem v solárním průmyslu je, že zařízení musí být odolné vůči rázům vznikajícím při proudech až do 20 kA tak, aby poskytovalo účinnou ochranu před bleskem. S HMSR umístěnými přímo na vstupy řetězců, které jsou vystavené blesku, musí být komponenty extrémně robustní proti tak silným proudovým rázům. HMSR byly ve skutečnosti navrženy a testovány na tuto úroveň podle standardního profilu nárazové zkoušky 8/20 μs.

Ve společnosti LEM pro senzory HMSR rovněž navrhli vývojovou desku, která umožňuje rychle ověřit mimořádné vlastnosti nové generace snímačů v rámci prototypu. Novinka je na vyžádání k dispozici ve formě vzorků a do sériové výroby pak řada vstoupí začátkem roku 2020.