Шаг вперед к миниатюризации измерителей тока в системах преобразования энергии

В предыдущем десятилетии компания LEM первой встала на путь миниатюризации, начав изготовление датчиков LTSR. В то время лучшим способом оптимизации характеристик было использование компенсационной технологии на эффекте Холла в сочетании со специализированной ASIC для компенсационных датчиков, разработанной LEM (рис. 1). Эволюция технологии ASIC позволила спроектировать датчики Холла прямого усиления, способные приблизиться к характеристикам, обеспечиваемым компенсационными датчиками. Технология прямого усиления не только способствовала уменьшению размеров компонентов, но и благодаря более простой структуре и меньшему энергопотреблению улучшала экономические показатели, что требовал рынок. В этом десятилетии была разработана серия датчиков HLSR, которые обеспечивают не только высокие показатели с точки зрения величины начального смещения и дрейфа, но и малое время отклика — и все это в корпусе, достаточно компактном для применения на печатных платах с допустимой высотой элементов в несколько миллиметров.

Рис. 1. Принцип измерения датчика тока прямого усиления с использованием традиционного элемента Холла или специализированной микросхемы ASIC

Компания LEM использовала свои ноу-хау и опыт проектирования, накопленный за многие годы, для создания современных датчиков тока HMSR, удовлетворяющих текущим требованиям рынка по снижению стоимости, улучшению характеристик и уменьшению габаритов (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция размеров датчиков тока на протяжении десятилетий

С появлением новой серии LEM расширяет линейку миниатюрных датчиков для изолированного измерения переменного и постоянного тока. Сенсоры HMSR (рис. 3) просты в применении, поскольку они включают низкоомный первичный проводник (для минимизации потерь мощности), миниатюрный феррит и запатентованную ASIC, обеспечивающие непосредственное измерение тока и стабильную изоляцию.

Рис. 3. Датчик тока HMSR

Новая линейка насчитывает шесть различных сенсоров с номинальными токами 6, 8, 10, 15, 20 и 30 А и с пределом измерения, превышающим номинальный ток в 2,5 раза. Датчики выпускаются в корпусах, аналогичных SOIC 16. Стандартные модели обеспечивают выходное аналоговое напряжение с различными уровнями чувствительности, версии с питанием 5 В имеют выходное напряжение 800 мВ @ I_PN.

Имеются два встроенных детектора OCD (детектирование перегрузки по току) для применений не в качестве измерителя тока, а для защиты от перегрузок. Для выходов детекторов предназначены два соответствующих вывода (контакта) датчика — у одного детектора установлен фиксированный порог тока срабатывания 2,93×I_PN, у другого пороговое значение может быть настроено пользователем.

Датчики HMSR не следует рассматривать как простые датчики прямого усиления с элементами Холла и на основе ASIC. Уникальная конфигурация первичного проводника HMSR позволяет работать с большими токами перегрузки и обеспечивать высокий уровень изоляции. Все это в сочетании с магнитной цепью на основе феррита создает отличную устойчивость к внешним неоднородным электромагнитным полям, характерным для силовой электроники. Это позволяет использовать сенсоры HMSR в системах с высоким уровнем помех.

Феррит, используемый в HMSR, является ключевым элементом для достижения высокой рабочей частоты (270 кГц/–3 дБ) и позволяет обеспечить хорошее подавление внешних полей.

В специализированных ASIC использованы проверенные на практике технологии, такие как модуляция/демодуляция сигнала, программируемая внутренняя температурная компенсация в памяти (EEPROM) для уменьшения дрейфа коэффициента передачи и смещения. В результате удается достичь высокой точности преобразования в диапазоне температур –40…+125 °C с типовой погрешностью 0,5% I_PN (модель HMSR 20-SMS). Системы преобразования энергии, такие как солнечные инверторы или приводы, должны иметь высокую эффективность, которая достигается только при точной работе контура управления.

Точность сенсоров HMSR в диапазоне рабочих температур значительно улучшена по сравнению с предыдущим поколением компонентов. На рис. 4 показан низкий уровень типовой общей погрешности измерения тока с помощью HMSR 20-SMS, а также очень хорошая линейность в широком диапазоне температур (–40…+125 °С).

Рис. 4. Типовая общая погрешность и линейность модели HMSR 20-SMS (–40…+125 °C)

Однако высокой точности недостаточно, если она не подкреплена быстрым временем отклика. Использование быстрых IGBT-транзисторов на основе SiC-технологии обеспечивает возможность повышения частоты коммутации — датчики HMSR доказали свою готовность к работе с этими частотами благодаря времени отклика менее 2 мкс (рис. 5).

Рис. 5. Время отклика HMSR

Во многих приложениях датчики HMSR могут быть установлены непосредственно на печатную плату, аналогично прочим SO16 SMD-компонентам, что снижает производственные затраты и обеспечивает экономию занимаемого на плате пространства. Имея высоту всего 6 мм, датчики HMSR позволяют значительно уменьшить занимаемый объем, что делает их оптимальными для размещения под радиатором над интеллектуальными силовыми модулями (IPM) (рис. 6).

Рис. 6. Сенсор HMSR, установленный c IPM

Есть еще одна область, в которой применение HMSR для измерения тока обеспечивает значительные преимущества, — это солнечная энергетика. В частности, трекер точки максимальной мощности (MPPT) — важный узел в системе преобразования солнечной энергии, представляющий собой набор компонентов, предназначенных для получения максимальной отдачи мощности от фотоэлектрической панели (PV) (рис. 7). Это делается регулированием тока и напряжения в зависимости от температуры, интенсивности света и общего импеданса устройства. Контроллер постоянно анализирует выход системы после подачи небольшого возмущения (метод «возмущения и наблюдения»). Узел MPPT вычисляет полученную мощность (путем измерения напряжения и тока) и определяет, какой параметр надо изменить для достижения точки максимальной мощности (MPP). Затем MPPT вносит необходимые изменения в ШИМ-сигнал управления для адаптации напряжения DC/DC-конвертера.

Рис. 7. Точка максимальной мощности (МРР)

Чем выше точность и ниже уровень шума, тем лучше характеристики MPPT. Благодаря использованию современной микросхемы ASIC LEM (рис. 8) сенсоры HMSR формируют высокоточный сигнал с низким уровнем шумов, который позволяет системе реализовывать оптимальные параметры. Более того, мониторинг токов цепочек последовательно включенных солнечных панелей («струн») солнечной электростанции позволяет сравнивать токи «струн» и тем самым обнаруживать такие проблемы, как обрыв цепи, наличие грязи на панелях и затенение от растущих деревьев. Это сравнение обеспечивается за счет высокой точности HMSR.

Рис. 8. Архитектура узла MPPT

Кроме того, используемый в MPPT DC/DC-преобразователь работает на высокой частоте (около 80 кГц), создавая высокие уровни dV/dt, опасные для электронных компонентов. Благодаря своей надежной конструкции сенсоры HMSR обладают хорошей устойчивостью к повышенным шумам такого рода. Это можно легко проверить, подав dV/dt на вход датчика и наблюдая за реакцией выхода. На следующих графиках (рис. 9) показано низкое влияние помех, создаваемых воздействием dV/dt на датчик. Генерируемая ошибка составляет всего 3% от полной шкалы при времени восстановления 3,8 мкс.

Рис. 9. Генерируемая ошибка на выходе HMSR после воздействия dV/dt

HMSR 20-SMS протестирован на воздействие импульсным напряжением ±1000 В при 20 кВ/мкс.

Два встроенных в HMSR детектора OCD предназначены для защиты транзисторов инвертора от короткого замыкания и перегрузки. Функция детектирования перегрузки и защиты от нее является важной для многих применений, таких как преобразователи для отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) (по DC-шине) или в приводах электродвигателей. Большинство современных частотно-регулируемых приводов (VFD) содержат алгоритм перегрузки двигателя, а функция OCD в сенсоре HMSR значительно упрощает обнаружение перегрузки, что предотвращает перегрев системы. Наличие двух раздельных детекторов OCD дает возможность контролировать по отдельности состояние перегрузки и короткого замыкания.

Очевидно, что требования к изоляции могут стать проблемой при использовании интегральных микросхем, когда речь заходит о выборе датчика тока. Например, преобразователи в солнечной энергетике часто используются с повышенным напряжением на DC-шине (до 1500 В) для того, чтобы увеличить соотношение DC/AC-мощностей. Это значительно повышает требования к изоляции преобразователя тока.

Большое внутреннее расстояние между входной и выходной частью сенсора помогает изолировать проводник с током от остальной части схемы и обеспечить высокий уровень изоляции — 4,95 кВ_rms (испытательное напряжение изоляции — 50 Гц, 1 мин). Этот уровень гарантирован для 100% выпускаемой продукции, которая проходит испытания в процессе производства. Расположение ножек датчика HMSR обеспечивает длину пути тока утечки по корпусу и по воздуху 8 мм на монтажной площадке.

Более высокий сравнительный индекс трекингостойкости (CTI) означает, что требуется меньшая величина минимального изоляционного зазора, а при CTI > 600, согласно стандарту IEC 62109-1 («Безопасность силовых преобразователей в фотоэлектрических энергетических системах»), рабочее напряжение для HMSR достигает 1600 В. Это означает, что данный сенсор отлично подходит для подобных систем с высоким уровнем напряжений.

Еще одно ключевое требование солнечной энергетики состоит в том, что оборудование должно быть устойчивым к токовым перегрузкам до 20 кА для обеспечения эффективной молниезащиты (рис. 10). Установка датчиков HMSR непосредственно на входах для контроля токов «струн», подверженных воздействию молнии, позволяет надежно защитить электронные компоненты от мощных импульсов тока. Датчики HMSR были разработаны и протестированы для данного режима работы в соответствии со стандартным профилем испытаний на перегрузку импульсами 8/20 мкс.

Рис. 10. Типовой профиль перегрузки в фотоэлектрических энергетических системах

Компания LEM разработала демоплату HMSR (рис. 11), которая позволяет быстро создавать и тестировать прототипы для подтверждения выдающихся характеристик (табл.) нового поколения датчиков. Она доступна по запросу, массовое производство — в начале 2020 года.

Рис. 11. Демонстрационная плата HMSR для тестирования