Linearer Hall-Effekt-Stromsensor-IC für Wechselrichter

Hochfrequente Leistungsschaltungen und hohe thermische Belastungen in elektrischen Antriebssträngen erfordern eine schnelle, galvanisch getrennte Strommessung mit minimaler Signaldrift über extreme Betriebstemperaturen hinweg. Die TDK Corporation (TSE: 6762) adressiert diese Anforderung mit dem Micronas CUR 3020, einem kundenprogrammierbaren linearen Hall-Effekt-Stromsensor-IC, der für magnetische C-Kern-Konzentratoren in Traktionswechselrichtern von Elektrofahrzeugen (xEV), Batteriemanagementsystemen und industriellen Leistungsumwandlungsmodulen entwickelt wurde.

Technische Herausforderungen bei der Hochleistungs-Strommessung
Moderne Leistungsumwandlungsarchitekturen in Elektrofahrzeugen und industriellen Motorantrieben basieren auf schnell schaltenden Leistungshalbleitern, die steile Stromtransienten und erhebliche Abwärme erzeugen. Die Überwachung von Phasen- und Batterieströmen in diesen Systemen erfordert eine berührungslose, galvanisch getrennte Messung, die schnelle Stromänderungen ohne Einfügeverluste erfassen kann.

In C-Kern-Strommesstopologien umschließt ein ferromagnetischer Kern mit einem schmalen Luftspalt den primären Stromleiter, beispielsweise eine Stromschiene oder ein Leistungskabel. Der C-Kern bündelt den vom Strom erzeugten magnetischen Fluss auf den im Luftspalt positionierten Hall-Sensor-IC und schirmt das Sensorelement gleichzeitig gegen externe magnetische Streufelder ab. Maßtoleranzen des Luftspalts, die Hysterese des Magnetkerns sowie starke Temperaturwechsel zwischen -40 °C und 150 °C verursachen jedoch Offset- und Empfindlichkeitsfehler, welche die Drehmomentregelung des Wechselrichters und die Ladezustandsbestimmung der Batterie beeinträchtigen können.

Funktionsprinzip und programmierbare Sensorarchitektur
Der Micronas CUR 3020 ist ein monolithischer linearer Hall-Effekt-Stromsensor-IC, der eine analoge Spannung ausgibt, die proportional zur magnetischen Flussdichte ist, welche auf sein integriertes hochempfindliches Hall-Element wirkt. Zur Unterstützung bidirektionaler Strommessungen in Wechselstrom-Phasenzweigen sowie beim Laden und Entladen von Batterien ist die Ruheausgangsspannung (QVO) – die Ausgangsspannung bei einem Magnetfeld von null – bei 2,5 V zentriert und vom Anwender einstellbar.

Um unterschiedliche Stromschienengeometrien, magnetische Verstärkungen des C-Kerns und maximale Nennströme abzudecken, unterstützt der IC einen programmierbaren Empfindlichkeitsbereich von 4,2 mV/mT bis 67,4 mV/mT. Ingenieure können sowohl die Empfindlichkeit als auch die Ruheausgangsspannung mithilfe eines integrierten EEPROM über drei verschiedene Programmiermethoden kalibrieren, die im Programmierhandbuch des CUR 3020 beschrieben sind. Diese Programmierbarkeit am Ende der Fertigungslinie ermöglicht es Modulherstellern, mechanische Montagetoleranzen im Luftspalt des C-Kerns nach der physischen Integration auszugleichen.

Für schnelle Regelkreise und einen raschen Überstromschutz verfügt der Sensor über eine vom Anwender wählbare Signalbandbreite von 250 kHz oder 500 kHz. Der Betrieb bei 500 kHz versetzt das Steuerungssystem in die Lage, hochfrequente Schalttransienten und Kurzschlussereignisse zu erkennen, bevor thermische Schäden in der Leistungsstufe auftreten.

Temperaturdriftverhalten und Diagnoseschutzfunktionen
Die thermische Stabilität über den gesamten automobilen Arbeitsbereich ist entscheidend, um die Messpräzision ohne komplexe externe Kompensationsalgorithmen aufrechtzuerhalten. Der CUR 3020 ist werkseitig über den Temperaturbereich voroptimiert, wodurch der maximale Empfindlichkeitsdriftfehler auf 1 % und der maximale Offsetdriftfehler auf 5 mV über den Umgebungstemperaturbereich von -40 °C bis 150 °C begrenzt wird. Das Bauteil ist nach dem Standard AEC-Q100 Grade 0 qualifiziert und unterstützt kurzzeitig eine erweiterte hohe Umgebungstemperatur (TA) von bis zu 165 °C, um thermische Spitzenlasten innerhalb kompakter Gehäuse von xEV-Traktionswechselrichtern abzudecken.

Zur Unterstützung der Fehlererkennung auf Systemebene in Automobil- und Industrieumgebungen integriert der IC mehrere Diagnose- und Schutzmechanismen. Dazu gehört eine Kabelbrucherkennung (Unterbrechungserkennung) sowohl am Masseanschluss als auch am Versorgungsspannungsanschluss (VSUP), um Fehlmessungen bei Kabelbaum- oder Lötstellenfehlern zu verhindern, ergänzt durch Unterspannungs-, Überspannungs- und Verpolungsschutz auf der Versorgungsleitung. Darüber hinaus können Ingenieure getrennt wählbare obere und untere Ausgangsspannungsklemmungen aktivieren oder deaktivieren, um eindeutige Diagnosefehlerbänder außerhalb des normalen linearen Signalbereichs zu definieren, während eine programmierbare Übertemperaturdiagnose den übergeordneten Mikrocontroller bei übermäßiger thermischer Belastung warnt.

Integration in industrielle und automobile Arbeitsabläufe
Untergebracht in einem bedrahteten 4-poligen TO-92-Gehäuse (UM) ist der CUR 3020 für den Einbau in den schmalen Luftspalt geschlitzter ferromagnetischer Kerne ausgelegt. Zu seinen Hauptanwendungen zählen xEV-Traktionswechselrichter, Antriebssysteme für Zwei- und Dreiräder, Hilfswechselrichter, Batteriemanagement- und Trennsysteme sowie industrielle Stromsensormodule (CSM), bei denen der IC zusammen mit einem Konzentrator, einer Abschirmung und einem Gehäuse integriert wird.

Die Sensor-Wafer werden in der Halbleiterfertigungsstätte von TDK im deutschen Freiburg hergestellt, was eine vertikale Fertigungskontrolle und langfristige Versorgungssicherheit für Automobil- und Industrieausrüster gewährleistet. Muster des CUR 3020 sind auf Anfrage bei TDK erhältlich.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten sind.

Gemäß weiterführender technischer Dokumentation von TDK-Micronas für den CUR 3020 erreicht der Sensor mit analoger Schnittstelle bei seiner maximalen Bandbreiteneinstellung eine Reaktionszeit von nur 0,86 Mikrosekunden. Ergänzende Datenblattparameter spezifizieren einen typischen Empfindlichkeitsdriftfehler von 0,75 % (maximal 1 %), einen typischen Offsetdriftfehler von 2 mV (maximal 5 mV) und einen maximalen Linearitätsfehler von +/-0,2 % (typisch 0,05 %). Ratiometrische Fehler sind auf maximal +/-2,5 mV für den Offset und +/-0,25 % für die Empfindlichkeit begrenzt.

Die Erweiterung der Bandbreite linearer Hall-Effekt-Sensoren auf 500 kHz steht im Einklang mit dem branchenweiten Übergang von herkömmlichen Silizium-Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) zu Halbleitern mit breitem Bandabstand (WBG), insbesondere MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Während herkömmliche IGBT-Traktionswechselrichter typischerweise mit Schaltfrequenzen zwischen 8 kHz und 20 kHz arbeiten, werden SiC-basierte Wechselrichter und Gleichspannungswandler mit höheren Schaltfrequenzen und steileren Stromanstiegsraten betrieben. Dies erfordert Stromsensoren mit Reaktionszeiten im Bereich von unter einer bis zu zwei Mikrosekunden, um die Phasenreserve im geschlossenen Regelkreis aufrechtzuerhalten und eine hardwareseitige Überstromabschaltung innerhalb weniger Mikrosekunden auszulösen.

Innerhalb des internen Portfolios magnetischer Stromsensoren von TDK ergänzt der CUR 3020 den Multi-Hall-Array-Sensor CUR 4000. Während der CUR 4000 für hochpräzise Gleichstrom- und Niederfrequenz-Strommessungen bis zu und über 2.000 A mit einer Signalbandbreite von 8 kHz und einer 16-Bit-SPI-Auslesung in einem SOIC8-Gehäuse ausgelegt ist, zielt der CUR 3020 auf die schnelle Wechselstrom- und Transientenstromregelung bis 500 kHz über eine analoge Schnittstelle in einem 4-poligen TO-92-Durchsteckgehäuse ab.

Auf dem breiteren Halbleitermarkt für lineare Hall-Effekt-Stromsensor-ICs für C-Kerne steht der Micronas CUR 3020 im direkten Wettbewerb mit etablierten automobilqualifizierten Bauteilen wie dem Melexis MLX91217 und dem MLX91219. Hinsichtlich Bandbreite und Reaktionszeit bietet der CUR 3020 einen wählbaren Betrieb mit 250 kHz oder 500 kHz bei einer minimalen Reaktionszeit von 0,86 Mikrosekunden, während der Melexis MLX91217 eine Bandbreite von 250 kHz bei einer Reaktionszeit von 2 Mikrosekunden bereitstellt und der MLX91219 bis zu 400 kHz bei einer Reaktionszeit von 2 Mikrosekunden erreicht. Über den Temperaturbereich von -40 °C bis 150 °C gemäß AEC-Q100 Grade 0 spezifizieren alle drei Bauteile eine identische maximale Empfindlichkeitsdrift von 1 % und eine maximale Offsetdrift von 5 mV. Allerdings erreichen sowohl der CUR 3020 als auch der MLX91217 einen Linearitätsfehler von nur +/-0,2 %, verglichen mit +/-0,5 % des Skalenendwerts beim 400-kHz-Baustein MLX91219. Bei Gehäuse und Empfindlichkeit unterstützt der CUR 3020 einen Bereich von 4,2 bis 67,4 mV/mT in einem 4-poligen TO-92-Gehäuse (UM) mit kurzzeitigem Umgebungsbetrieb bis 165 °C, während der MLX91217 einen programmierbaren Bereich von 5 bis 150 mV/mT in einem 4-poligen SIP-4-VA-Gehäuse bietet, das für eine Umgebungstemperatur von bis zu 150 °C ausgelegt ist.

Redigiert von Sucithra Mani, Induportals-Redakteurin – adaptiert durch KI.

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