Tehonmuunnoksiin tarkoitettujen uusien järjestelmien on samanaikaisesti kehityttävä yhä pienemmiksi, halvemmiksi ja hyötysuhteeltaan paremmiksi. Virran ja jännitteen anturimittauksiin erikoistunut sveitsiläisyritys LEM on kehittänyt tähän avuksi minikokokoon integroidun HMSR-virta-anturipiirin.

Perinteinen tapa virran mittaamiseen on käyttää Hall-ilmiöön perustuvaa avoimen silmukan anturia (Open Loop Hall). Virran synnyttämä magneettikenttä siepataan magneettisydämen avulla ja mitataan Hall-elementillä. Viime aikoina kehitetyt ASIC-piirit ovat vielä parantaneet järjestelmän yleistä tarkkuutta hyödyntämällä edistyneitä kompensaatiotekniikoita.

Kuva 1. Avoimen silmukan tekniikkaa voidaan soveltaa käyttämällä perinteistä Hall-elementtiä ja ASIC-piiriä.

LEM-yhtiö aloitti oman anturiratkaisunsa koon kutistamisen esittelemällä LTSR-anturiratkaisun toistakymmentä vuotta sitten. Silloin paras tapa varmistaa anturinoptimaalinen suorituskyky oli käyttää suljetun silmukan Hall-anturia yhdessä yhtiön suunnitteleman Closed Loop ASIC -erikoispiirin kanssa.

Sovelluspiirien tekninen kehitys mahdollisti sen jälkeen avoimen silmukan Hall-anturien kehittämisen tasolle, joka lähestyi jo suljetun silmukan tekniikan tarjoamaa suorituskykyä. Open Loop -tekniikan avulla voitiin edelleen helpottaa komponenttien pienentämistä ja lisäksi saavuttaa markkinoiden vaatimia kustannusetuja, koska ratkaisu oli rakenteeltaan aiempaa yksinkertaisempi ja myös niukemmin tehoa kuluttava.

Viime vuosikymmenellä nähtiin sitten HLSR-anturisarjan kehittyminen yhä suorituskykyisemmäksi sekä lämpövakaudeltaan, offset-ominaisuuksiltaan että vasteajoiltaan. Kaikki nämä ominaisuudet saatiin myös pakattua muutaman millin korkeaan koteloon, joka soveltuu piirilevyasennuksiin.

Kuva 2. Virta-anturien koossa tapahtunut kehitys vuosikymmenten aikana.

Nyt LEM on käyttänyt vuosien varrella kartuttamaansa suunnitteluosaamista ja kehittänyt edelleen huipputeknisen HMSR-virta-anturin, joka täyttää markkinoiden jatkuvasti tiukentuvat vaatimukset komponenttien koon ja kustannusten pienentämisen sekä suorituskyvyn parantamisen suhteen.

Kuva 3. LEM-yhtiön kehittämä HMSR-virta-anturi.

Tällä uudella anturisarjalla LEM laajentaa minikokoisten virta-anturiensa valikoimaa eristettyihin AC- ja DC-virtojen mittauksiin. Uusia HMSR-anturipiirejä on helppo käyttää, sillä ne sisältävät samassa paketissa alhaisen resistanssin omaavan ensiöliitännän (joka minimoi tehohäviöt), pienoisferriitin ja patentoidun ASIC-sirun. Ne mahdollistavat suorat virranmittaukset ja vakaat eristysominaisuudet.

Tämä uusi tuoteryhmä kattaa jo kuusi eritasoista nimellisvirtaa: 6A, 8A, 10A, 20A ja 30A. Mittausalue on 2,5-kertainen tavanomaisiin SOIC 16 -kokoluokan tuotteisiin verrattuna. Standardimallien analoginen jännitelähtö tarjoaa erilaisia herkkyystasoja. Esimerkiksi 5 voltinteholähteisiin tarkoitetuissa versioissa lähtöjännite on 800 mV @ IPN.

Anturipaketti sisältää kaksi OCD-yksikköä (Over Current Detection), jotka erottavat ohjaussovelluspolun suojattuun silmukkaan. Näille ylivirrantunnistimille on varattu omat liitäntänastat, joista toinen on sisäisesti asetettu kynnysarvoon 2,93 x I_PN ja toinen käyttäjän ulkoisesti säätämään kynnysarvoon.

HMSR-antureita ei kuitenkaan pidä nähdä vain yksinkertaisina avoimen silmukan Hall-ASIC-muuntimina. Piirin ainutlaatuinen ensiöliitäntä mahdollistaa ylikuormitustilanteessa täsmällisen virtatason ja korkean eristystason. Yhdistettynä ferriittipohjaiseen magneettipiiriin tämä tarjoaa erinomaisen immuniteetin vaihtelevia ulkopuolisia kenttiä vastaan, joita esiintyy monissa tehoelektroniikan sovelluksissa. Tämä antaa mahdollisuuden soveltaa HMSR-antureita erittäin korkeita häiriötasoja tuottavissa ympäristöissä.

HMSR-anturipaketissa käytettävä ferriittimateriaali on myös avaintekijä saavutettuun 270 kilohertsin (-3dB) kaistanleveyteen ja mainioon ulkoisten kenttien vaimennukseen.

Kehitetyt ASIC-piirit hyödyntävät kenttäkäytössä hyviksi osoitettuja tekniikoita kuten virrankiertoa (spinning) sekä ohjelmoitavaa sisäistä lämpötilan kompensointia (EEPROM) vahvistus- ja offset-ominaisuuksien parantamiseksi. Tuloksena päästään koko lämpötila-alueella -40°C ... +125°C erittäin suureen tarkkuuteen, jonka tyypillinen arvo on 0,5% I_PN(malli HMSR 20-SMS). Aurinkopaneeleissa käytettävien invertterien ja moottorinohjainten kaltaisten sovellusten tehonmuunnoksissa vaaditaan erittäin korkeaa hyötysuhdetta ja siihen voidaan päästä ainoastaan, jos ohjaussilmukka toimii riittävän tarkasti.

Koko lämpötila-alueella säilyvä tarkkuus on parantunut merkittävästi HMSR-antureissa edellisen sukupolveen tuotteisiin verrattuna. Alla olevasta kaaviosta nähdään anturille (HMSR 20-SMS) tyypillinen hyvin alhainen kokonaisvirhe virranmittauksessa sekä erittäin hyvä lineaarisuus koko laajalla lämpötila-alueella (-40°C ... +125°C).

Kuva 4. HMSR 20-SMS -anturin tyypillinen kokonaistarkkuus ja lineaarisuus lämpötila-alueella -40°C ... +125°C.

Tämän luokan tarkkuuskaan ei riitä, ellei sitä tueta riittävän nopealla vasteajalla. Esimerkiksi IGBT-transistoreissa käytettävä piikarbiditekniikka (SiC) tuo lisää mahdollisuuksia toimia entistä suuremmilla kytkentänopeuksilla. HMSR-anturi on osoittanut olevansa valmis näihin nopeisiin kytkentäsovelluksiin, joissa vasteajat ovat alle kahden mikrosekunnin luokkaa (kuva 5).

Kuva 5. HMSR-anturin vasteaika.

Monissa sovelluksissa HMSR-anturit voidaan asentaa suoraan piirilevylle SO16 SMD -komponenttien tapaan, mikä vähentää tuotantokustannuksia ja tarjoaa tilansäästöä ahtaissa kohteissa. Vain 6 mm korkea anturipaketti antaa mahdollisuuden merkittävään tilansäästöön esimerkiksi älykkäitä tehomoduuleja hyödyntävissä sovelluksissa, koska se voidaan sijoittaa IPM-moduulin (Intelligent Power Module) pinnalle jäähdytyselementin alle (kuva 6).

Aurinkoenergian tuotanto on toinen sovellusalue, jolle HMSR-moduuli tuo merkittäviä etuja virranmittauksissa. Erityisesti aurinkoenergian muunnoksissa maksimaalisen tehopisteen seurantaan käytettävä MPPT (Maximum Power Point Tracker) on tehokomponenteista koostuva tärkeä laite, joka maksimoi aurinkopaneelista saatavan tehon. Se tekee tämän säätämällä virtaa ja jännitettä lämpötilan, auringonpaisteen ja järjestelmän kokonaisresistanssin mukaan. (Oikealla kuva 6. HMSR-anturi asennettuna IPM-tehomoduuliin.)

Ohjausjärjestelmä analysoi lähtöpuolta järjestelmään syötetyn pienen häiriön jälkeen (perturb & observe -menetelmä). MPPT analysoi syntyvää tehoa (havainnoimalla jännitettä ja virtaa) ja muuttaa parametreja maksimaalisen tehopisteen (MPP) saavuttamiseksi. Sen jälkeen MPPT säätää pulssinleveysmodulaatiota (PWM) sovittaakseen jännitteen DC/DC-muuntimelle.

Kuva 7. Maksimitehopiste MPP.

Kuva 8. MPPT-arkkitehtuuri.

MPPT:n suorituskyky on sitä parempi, mitä suurempi on tarkkuus ja mitä alhaisempi on kohina. HMSR-anturin sisältämä huippuluokan ASIC-piiri tarjoaa hyvin tarkan ja kohinattoman signaalin, joka mahdollistaa järjestelmän toiminnan optimaalisella tasolla.

Lisäksi ketjutettujen kennojen virranvalvonta mahdollistaa useiden kennorivien vertailun ja erilaisten ongelmien havainnoinnin: vialliset johdotukset, paneelien likaisuus, puiden tuottamat varjot jne. Tässä kohtaa HSMR-anturin erinomainen tarkkuus mahdollistaa kennorivien vertailun.

Lisäksi MPPT:ssä käytettävä DC/DC-muunnin hyödyntää suuritaajuista (noin 80 kHz) regulointia, minkä vuoksi jännitteisiin syntyy suuria muutosnopeuksia (dV/dt), mikä voi olla haitallista elektronisille komponenteille. Vankan rakenteensa ansiosta HMSR-anturi tarjoaa hyvän suojan myös näin häiriöisissä ympäristöissä.

Tämä immuniteetti voidaan helposti varmistaa syöttämällä dV/dt-pulssi anturin läpi ja tarkkailemalla lähdön reagointia.

Kuvassa 9 nähdään vähäinen häiriö, joka on synnytetty syöttämällä dV/dt-pulssi anturin läpi. Syntyvä virhe on vain 3 prosenttia koko skaalasta ja elpymisaika noin 3,8 mikrosekuntia.

HMSR 20.SMS -anturi testattuna jännitepulssilla, jonka amplitudi on +/- 1000 V ja muutosnopeus 20 kilovolttia mikrosekuntia kohti:

Kuva 9. HMSR-anturin lähdössä näkyvä virhe dV/dt-pulssin syöttämisen jälkeen.

HMSR-anturin kaksi sisäistä OCD-lohkoa suojaavat myös invertterin transistoreita oikosululta ja ylikuormitukselta. Tällainen valvonta ja suojaus on tärkeä ominaisuus lukuisissa eri sovelluksissa kuten DC-siirtolinjojen HVAC-osissa tai moottorinohjausjärjestelmissä.

Useimmat nykyaikaiset taajuuden säätöön perustuvat VFD-ohjausjärjestelmät (Variable Frequency Drive) sisältävät moottorin ylikuormitusalgoritmin. HMSR-anturin OCD-toiminto helpottaa ylikuormituksen havaitsemista ja estää näin laitteiden ylikuumenemisen. Kaksi erillistä OCD-lohkoa antaa mahdollisuuden valvoa ylikuormitus- ja oikosulkutilanteita erikseen.

Eristystasoon kohdistuvat vaatimukset voivat tietysti olla ongelmana IC-kotelon hyväksymisessä, kun sopivaa virta-anturia valitaan sovellukseen. Esimerkiksi aurinkoenergialaitoksissa käytetään usein suuria tasajännitteitä (jopa 1500 V) DC/AC-tehosuhteen kasvattamiseksi. Tämä lisää dramaattisesti virranmuuntimen eristystasovaatimuksia.

Ensiö- ja toisiolohkojen välinen pitkä etäisyys kotelon sisällä helpottaa ensiöpuolen eristämistä muusta IC-piiristä. Tämän ansiosta valmistaja takaa anturipaketin eristystasoksi erittäin korkean 4,95kV_RMS (50 Hz AC-jännite minuutin ajan). Tämä eristystaso taataan sataprosenttisesti kaikille toimitetuille tuotteille, jotka on testattu tuotantolinjalla. HMSR-anturin erikoinen kotelorakenne sallii 8 millimetrin välit johdinten kesken ja liitäntäpisteiden ympärillä.

Mitä korkeampi on CTI-indeksi (Comparative Tracking Index), sitä pienemmät johdinvälit voidaan sallia. HMSR-anturin CTI on IEC:n standardin 62109-1 (Safety of power converters for use in photovoltaic power systems) mukaan yli 600 ja toimintajännite yltää 1600 volttiin, joten anturi soveltuu ideaalisesti tällaisiin vaativiin sovelluksiin.

Aurinkoenergialaitoksissa toinen tärkeä vaatimus on, että laitteiden tulee sietää jopa 20 kA syöksyvirtoja, jotta voitaisiin tarjota riittävä suojaus ukkosta vastaan. Kun HMSR-anturi sijoitetaan suoraan salamavaarassa olevien kennorivien tulopuolelle, sen komponentit ovat riittävän kestäviä tuon suuruusluokan syöksyvirtoja vastaan. HMSR-anturi on näet suunniteltu ja testattu tälle tasolle käyttäen standardoitua syöksyvirran testausprofiilia 8/20us.

Kuva 10. Tyypillinen ylivirran syöksyprofiili aurinkoenergian sovelluksissa

LEM on suunnitellut HMSR-anturia varten oman kehityskortin, joka avulla on helppo rakentaa prototyyppejä ja testata nopeasti tämän uuden anturisukupolven poikkeuksellista suorituskykyä. Näytteitä on jo saatavissa ja massatuotantoon uusi tuotesarja pääsee alkuvuoden 2020 aikana.

Kuva 11. HMSR-anturin testausta varten on saatavissa oma kehityskortti.

Kuva 11. HMSR-anturin tärkeimmät tekniset tiedot.