Markkinat ovat aukeamassa hybridiantureille, jotka yltävät jopa 100 nanosekunnin vasteaikoihin ja yli megahertsin rajataajuuksiin. LEM mahdollistaa tämän piikarbidi- eli SiC-pohjaisilla muuntimillaan.

Hyötysuhteeltaan parantuneet tehonmuuntimet ovat keskeisessä asemassa teollisuuden tavoitellessa parempaa kestävyyttä ja tuottavuutta. Tulevaisuudessa ankariin ympäristöihin laajalla lämpötila-alueella soveltuvan tehonmuuntimen pitää olla suorituskykyinen, mutta kevyt, hiljainen ja suurilla taajuuksilla toimiva. Alhainen tehonkulutus on välttämätön ominaisuus.

Vaatimus korkeasta toimintataajuudesta ja kompaktista rakenteesta tarkoittaa, että tehonmuuntimissa on hyödynnettävä entistä pienempiä passiivisia komponentteja, jotta kutistetun koon ja painon tuomat edut voidaan saavuttaa. Suuntaus luopua puhtaasta piimateriaalista ja käyttää yhä enemmän suurille taajuuksille yltäviä piikarbidiin (SiC) perustuvia MOSFET-transistoreja suurijännitteisissä pulssitehopiireissä on mahdollistanut tilantarpeen ja kustannusten vähentämisen sekä hyötysuhteen ja suorituskyvyn parantamisen.

Nopeampien kytkentäominaisuuksiensa ansiosta SiC-pohjaiset kytkimet pystyvät toimimaan yli sadan kilohertsin kaistanleveydellä. Tämän vuoksi niitä on hyödynnetty hyvin monenlaisissa sovelluskohteissa: keskeytymätön tehonsyöttö (UPS), aurinkopaneelien invertterit, vaihtovirta- ja servomoottorikäytöt, tehokertoimen korjauspiirit (PFC) ja tietokoneohjatut hitsauslaitteet.

Suorituskyvyn ja vasteajan välillä on kuitenkin aina jouduttu tekemään kompromisseja, joten näillä markkinasektoreilla käyttäjät ovat kamppailleet löytääkseen ratkaisun, joka pystyy täyttämään yhä kovemmat vaatimukset. Klassiset avoimen silmukan muuntimet ja suljetun silmukan versiot yltävät jopa 300 kHz taajuusvasteisiin, mutta nykyisillä markkinoilla ne eivät vieläkään riitä suurella kaistanleveydellä toimiviin ratkaisuihin. Kehitystä on ohjannut siirtyminen piikarbidi-pohjaisiin IGBT-kytkimiin (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Kaistanleveys yli megahertsiin

Eräs hitsausalan asiakas kääntyi sähköisten suureiden laadukkaista mittausratkaisuista tunnetun LEM-yhtiön puoleen. Tarjolla siinä vaiheessa olleiden tehonmuuntimien vasteajat ja taajuusvasteet olivat osoittautuneet asiakkaalle riittämättömiksi. Tätä taustaa vasten LEM kehitti hybridianturin, joka yli kolminkertaisti kaikkien muiden markkinoilla olevien tuotteiden suorituskyvyn.

Hybridirakenne on yhdistelmä ASIC- ja DC-pohjaista muunnintekniikkaa, joka sisältää puhtaasti induktiivisen kelan signaalin nopeuttamiseksi. LEMin kehittämän ASIC-piirin tulopuolen kelan ansiosta muunnin pystyy reagoimaan kuin virtamuuntaja. Vaikka nykyiset puhtaaseen induktanssiin perustuvat AC-muuntimet voivat yltää vieläkin parempaan, tarjolla ei ole ollut ainuttakaan avoimen silmukan tekniikkaa ja poimintakelaa hyödyntävää DC-muunninta, joka yltäisi yli yhden megahertsin kaistanleveyksiin – mutta nyt on.

LEM-yhtiön ratkaisu kehitettiin vastaamaan suurella kaistanleveydellä tapahtuvien mittausten vaatimuksiin, kun käytetään erittäin nopeasti suurilla jännitteillä kytkeviä SiC-pohjaisia MOSFET-kytkimiä. Niissä nopeat ja joustavasti muodostettavat suurjännitepulssit ovat välttämättömiä.

Yhtiön HOB-perheeseen kuuluu 20 niukasti tehoa kuluttavaa monialueista virta-anturia, jotka kykenevät mittaamaan DC-, AC- tai pulssimuotoisia virtoja aina 250 ampeeriin asti. Asiakas sai näin haluamansa suorituskykyisen erityisratkaisun, joka tarjoaa nopeat vasteajat ja laajennetun kaistanleveyden entistä pienemmässä koossa.

Uudenlaista puolijohdetekniikkaa

Koska suljetun silmukan anturi on yleensä kallis vaihtoehto näiden tavoitteiden saavuttamiseksi mille tahansa sovellusalueelle, LEM uskoo hybridimuuntimestaan tulevan nopeasti houkutteleva vaihtoehto eri markkinasegmenteillä toimiville lukuisille soveltajille. Näitä ovat kaikki, jotka haluavat ottaa käyttöön erilaisia hakkurimuotoisia muuntimia, jotka hyödyntävät piikarbidiin tai galliumnitridiin (GaN) perustuvia WGB-tehomoduuleja (Wide Band Gap). Hakkurimuuntimien nousevaa kehityssuuntausta ohjaa tarve piirien ja laitteiden kutistamiseen mahdollisimman pieneen kokoon, jolloin voidaan saavuttaa ylivoimainen teho/painosuhde.

LEM-yhtiön ’täysin erilaiseksi’ kutsuman puolijohdetekniikan ansiosta erittäin nopeat SiC- ja GaN-transistorit tarjoavat nopeampien kytkentäaikojen lisäksi myös laajemmat taajuusominaisuudet ja paremman sietokyvyn suurille jännitteille. Yhtiössä odotetaan, että tästä transistoritekniikasta tulee normiratkaisu viiden vuoden kuluessa.

Paljon kaistanleveyttäkin tärkeämpi ominaisuus on HOB-perheen muuntimien vasteaika eli aikaero ensiövirran ja muuntimen lähdön välillä. Tämä oli keskeinen tekijä myös eräälle yhtiön asiakkaalle, joka oli tutkimuksissaan todennut, että yhä nopeammin kytkeytyvät transistorit vaativat virta-anturin, joka kykenee seuraamaan mahdollisimman tarkasti virran muutosnopeutta (di/dt).

Vasteaika vain 100 nanosekuntia

Tällä tekniikalla di/dt-lukema voi olla jopa 500 ampeeria per mikrosekunti (mahdollisesti jopa 1 kA/us). Perinteisten muuntimien vasteaika puolestaan on ollut noin 1,5 mikrosekunnin luokkaa. LEM kuitenkin sitoutui takaamaan vaativalle asiakkaalleen enintään 200 nanosekunnin vasteajan. Tähän tavoitteeseen päästiin ja lukema jopa alitettiin, sillä uusi HOB-tuoteperhe tarjoaa poimintakelojen ansiosta peräti 150 ns vasteajan, eli 10 kertaa nopeamman kuin mikään muu markkinoilla oleva kilpailija. Joissakin tapauksissa vasteaika on ollut jopa 100 nanosekuntia.

HOB-tuoteperheen mallit tarjoavat 50, 75, 100 ja 130 ampeerin nimellisvirrat, ja maksimiteholla suurimmat sallitut virrat (Ipm) ovat 2,5-kertaiset. Sarjan erikoismallit (SP) räätälöidään vastaamaan kunkin käyttäjän omia vaatimuksia, mutta kaikkien muuntimien rajataajuus (-3dB) on yli yhden megahertsin. HOB-standardiperheessä teholähde syöttää 5 voltin jännitettä (referenssijännite 2,5 V), mutta muissa malleissa tarjolla ovat 3,3 V, 3,4 V ja 3,5 V teholähteet. Kaikki muuntimet pystyvät toimimaan -40...+105°C lämpötiloissa.

Muita kilpailijoiden edelle vieviä ominaisuuksia ovat HOB-anturien galvaaninen erotus ensiö- ja toisiopiirin välillä, integroitu virtakisko ja innovatiivinen rakenne, joka mahdollistaa tilaa säästävän THT-asennuksen (reikien läpi) piirilevylle.

Hybriditekniikan tulevaisuus

Samankokoiseen tilaan aiempien anturien kanssa mahtuva hybridianturi perustuu teknologiaan, jota LEM on aiemmin toimittanut menestyksekkäästi autoteollisuudelle. Kompaktin rakenteen ja erinomaisen suorituskyvyn ansiosta yhtiö kuitenkin odottaa tämän tekniikan leviävän myös muille sovellusalueille, kun kytkintransistorien tuotantokustannukset alenevat, automaatio lisääntyy ja tuotantovolyymit kasvavat.

Tämän uuden hybriditeknologian tulevaisuuteen uskotaan varmasti, kun erittäin alhaisiin kustannuksiin, erinomaiseen suorituskykyyn ja nopeisiin vasteaikoihin pyrkivien sovellusten markkinat kasvavat. Uudelle HOB-perheelle erinomaisesti sopivia käyttökohteita ovat esimerkiksi käsikäyttöiset plasmaleikkurit, hitsauslaitteet ja DC-DC-muuntimet sekä aiemmin mainitut UPS-laitteet, hakkuriteholähteet, AC- ja servomoottorikäytöt sekä DC-moottorikäyttöjen staattiset muuntimet.

LEM on jo saanut asiakkailta kyselyjä piirilevylle asennettavista muuntimista, joiden nimellisvirrat ovat 300 tai 600 ampeeria tai jopa enemmän. On vaikea arvioida tarkasti, miten kysyntä tulee kehittymään, mutta LEM on jo nyt valmis tarjoamaan useille eri markkinoille avoimeen silmukkaan perustuvia monialueisia virta-antureita, joissa yhdistyvät ennennäkemätön vasteaika ja kaistanleveys, vähäinen tehonkulutus ja alhainen kohinataso sekä entistä parempi sietokyky dv/dt-ongelmille, joita SiC-tehomoduulit voivat joutua kohtaamaan.