CI sensore di corrente lineare a effetto Hall per inverter

La commutazione di potenza ad alta frequenza e gli elevati carichi termici nei gruppi propulsori elettrici richiedono un rilevamento di corrente rapido e galvanicamente isolato, con una deriva del segnale minima a temperature operative estreme. TDK Corporation (TSE: 6762) risponde a questa esigenza con il Micronas CUR 3020, un circuito integrato (CI) sensore di corrente lineare a effetto Hall programmabile dal cliente, progettato per concentratori magnetici a nucleo a C negli inverter di trazione di veicoli elettrificati (xEV), nei sistemi di gestione della batteria e nei moduli industriali di conversione di potenza.

Sfide ingegneristiche nella misurazione di corrente ad alta potenza
Le moderne architetture di conversione di potenza nei veicoli elettrici e negli azionamenti per motori industriali si basano su semiconduttori di potenza a commutazione rapida che generano veloci transitori di corrente e un calore considerevole. Il monitoraggio delle correnti di fase e di batteria in questi sistemi richiede un rilevamento non intrusivo e galvanicamente isolato, in grado di seguire rapide variazioni di corrente senza introdurre perdite di inserzione.

Nelle topologie di rilevamento di corrente con nucleo a C, un nucleo ferromagnetico dotato di un traferro stretto circonda il conduttore di corrente primario, come una barra collettrice o un cavo di potenza. Il nucleo a C concentra il flusso magnetico generato dalla corrente sul CI del sensore di Hall posizionato all'interno del traferro, schermando al contempo l'elemento sensibile dai campi magnetici dispersi esterni. Tuttavia, le tolleranze dimensionali del traferro, l'isteresi del nucleo magnetico e i severi cicli termici tra -40 °C e 150 °C introducono errori di offset e di sensibilità che possono degradare il controllo di coppia dell'inverter e la stima dello stato di carica della batteria.

Principio di funzionamento e architettura programmabile del sensore
Il Micronas CUR 3020 è un CI sensore di corrente lineare a effetto Hall monolitico che eroga una tensione analogica proporzionale alla densità di flusso magnetico applicata al suo elemento di Hall integrato ad alta sensibilità. Per supportare la misurazione di corrente bidirezionale nei rami di fase in corrente alternata (CA) e nei circuiti di carica e scarica della batteria, la tensione di uscita a riposo (QVO) — ovvero la tensione di uscita in presenza di campo magnetico nullo — è centrata a 2,5 V e rimane regolabile dall'utente.

Per adattarsi a diverse geometrie delle barre collettrici, ai guadagni magnetici dei nuclei a C e ai valori nominali di corrente massima, il CI supporta un intervallo di sensibilità programmabile da 4,2 mV/mT a 67,4 mV/mT. Gli ingegneri possono calibrare sia la sensibilità sia la QVO utilizzando una memoria EEPROM integrata tramite tre distinti metodi di programmazione descritti nella guida alla programmazione del CUR 3020. Questa programmabilità di fine linea consente ai produttori di moduli di compensare le tolleranze di assemblaggio meccanico nel traferro del nucleo a C dopo l'integrazione fisica.

Per anelli di controllo veloci e una rapida protezione dalle sovracorrenti, il sensore dispone di una larghezza di banda del segnale selezionabile dall'utente di 250 kHz o 500 kHz. Il funzionamento a 500 kHz consente al sistema di controllo di rilevare transitori di commutazione ad alta velocità ed eventi di cortocircuito prima che si verifichino danni termici nello stadio di potenza.

Prestazioni di deriva termica e protezioni diagnostiche
La stabilità termica sull'intero intervallo operativo automobilistico è fondamentale per mantenere la precisione di misura senza complessi algoritmi di compensazione esterna. Il CUR 3020 è pre-ottimizzato in fabbrica rispetto alla temperatura, limitando l'errore massimo di deriva della sensibilità all'1 % e l'errore massimo di deriva dell'offset a 5 mV sull'intero intervallo di temperatura ambiente compreso tra -40 °C e 150 °C. Il dispositivo è qualificato secondo gli standard AEC-Q100 Grado 0 e supporta una temperatura ambiente operativa a caldo (TA) estesa fino a 165 °C per brevi periodi, rispondendo ai picchi termici riscontrati all'interno degli alloggiamenti compatti degli inverter di trazione xEV.

Per supportare il rilevamento dei guasti a livello di sistema in ambienti automobilistici e industriali, il CI integra molteplici meccanismi diagnostici e di protezione. Questi includono il rilevamento di circuito aperto per filo interrotto sia sul pin di massa sia sul pin della tensione di alimentazione (VSUP), per prevenire letture di corrente errate durante guasti al cablaggio o ai giunti di saldatura, insieme alla protezione da sottotensione, sovratensione e inversione di polarità sulla linea di alimentazione. Inoltre, gli ingegneri possono abilitare o disabilitare limitatori di tensione di uscita superiore e inferiore selezionabili separatamente per definire chiare bande diagnostiche di guasto al di fuori del normale intervallo del segnale lineare, mentre la diagnostica di sovratemperatura programmabile avvisa il microcontrollore principale in caso di eccessivo stress termico.

Integrazione nei flussi di lavoro industriali e automobilistici
Alloggiato in un contenitore con terminali a foro passante TO-92 (UM) a 4 pin, il CUR 3020 è progettato per l'inserimento nello stretto traferro di nuclei ferromagnetici fessurati. Le sue applicazioni principali includono inverter di trazione xEV, sistemi di propulsione per veicoli a due e tre ruote, inverter ausiliari, sistemi di gestione e disconnessione della batteria e moduli sensori di corrente (CSM) industriali in cui il CI è integrato con un concentratore, una schermatura e un alloggiamento.

I wafer del sensore sono prodotti nello stabilimento di fabbricazione di semiconduttori di TDK a Friburgo, in Germania, garantendo un controllo verticale della produzione e una stabilità di fornitura a lungo termine per i produttori di apparecchiature automobilistiche e industriali. I campioni del CUR 3020 sono disponibili su richiesta presso TDK.

Contesto aggiuntivo:
Questa sezione descrive in dettaglio le specifiche tecniche e i confronti competitivi non inclusi nell'annuncio originale del prodotto.

Secondo ulteriore documentazione tecnica pubblicata da TDK-Micronas per il CUR 3020, il sensore con interfaccia analogica raggiunge un tempo di risposta ridotto fino a 0,86 microsecondi quando opera alla sua impostazione di larghezza di banda massima. I parametri supplementari della scheda tecnica specificano un errore tipico di deriva della sensibilità dello 0,75 % (1 % massimo), un errore tipico di deriva dell'offset di 2 mV (5 mV massimo) e un errore di linearità massimo di +/-0,2 % (0,05 % tipico). Gli errori raziometrici sono contenuti entro un massimo di +/-2,5 mV per l'offset e di +/-0,25 % per la sensibilità.

L'estensione della larghezza di banda dei sensori lineari a effetto Hall a 500 kHz si allinea con la più ampia transizione del settore dai tradizionali transistor bipolari a gate isolato (IGBT) in silicio verso i semiconduttori a banda proibita larga (WBG), nello specifico i MOSFET in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). Mentre gli inverter di trazione IGBT tradizionali commutano tipicamente a frequenze comprese tra 8 kHz e 20 kHz, gli inverter basati su SiC e i convertitori corrente continua-corrente continua (CC-CC) operano a frequenze di commutazione più elevate con velocità di variazione della corrente più ripide, richiedendo sensori di corrente con tempi di risposta compresi tra meno di un microsecondo e due microsecondi per mantenere il margine di fase nel controllo ad anello chiuso e attivare l'arresto hardware per sovracorrente entro pochi microsecondi.

All'interno del portafoglio interno di sensori di corrente magnetici di TDK, il CUR 3020 affianca il sensore a matrice multi-Hall CUR 4000. Mentre il CUR 4000 è progettato per misurazioni di corrente continua (CC) ad alta precisione e a bassa frequenza fino a e oltre 2.000 A con una larghezza di banda del segnale di 8 kHz e lettura SPI a 16 bit in un contenitore SOIC8, il CUR 3020 è destinato al controllo ad alta velocità della corrente alternata (CA) e delle correnti transitorie fino a 500 kHz utilizzando un'interfaccia analogica in un contenitore a foro passante TO-92 a 4 pin.

Nel più ampio mercato dei semiconduttori per CI sensori di corrente lineari a effetto Hall destinati a nuclei a C, il Micronas CUR 3020 compete direttamente con dispositivi consolidati di grado automobilistico come i modelli Melexis MLX91217 e MLX91219. In termini di larghezza di banda e tempo di risposta, il CUR 3020 offre un funzionamento selezionabile a 250 kHz o 500 kHz con un tempo di risposta minimo di 0,86 microsecondi, mentre il Melexis MLX91217 fornisce una larghezza di banda di 250 kHz con un tempo di risposta di 2 microsecondi e il MLX91219 raggiunge i 400 kHz con un tempo di risposta di 2 microsecondi. Sull'intervallo da -40 °C a 150 °C della norma AEC-Q100 Grado 0, tutti e tre i dispositivi specificano una deriva di sensibilità massima equivalente dell'1 % e una deriva di offset massima di 5 mV. Tuttavia, sia il CUR 3020 sia il MLX91217 raggiungono un errore di linearità fino a +/-0,2 %, rispetto al +/-0,5 % di fondo scala per il modello MLX91219 a 400 kHz. Per quanto riguarda il contenitore e la sensibilità, il CUR 3020 supporta da 4,2 a 67,4 mV/mT in un contenitore TO-92 (UM) a 4 pin con funzionamento a temperatura ambiente a breve termine fino a 165 °C, mentre il MLX91217 offre un intervallo programmabile da 5 a 150 mV/mT in un contenitore SIP-4 VA a 4 pin certificato per una temperatura ambiente di 150 °C.

A cura di Sucithra Mani, redattrice di Induportals – adattato dall'IA.

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