Strommessung mit driftfreier Halleffekt-Technik

Hochspannungssysteme werden immer zahlreicher und leistungsfähiger, und folglich steigt der Energieverbrauch von Anlagen, die entweder am Stromnetz betrieben oder aus diesem geladen werden. Nicht nur die einschlägigen Regelwerke, sondern auch hohe Energiekosten und technische Restriktionen machen es notwendig, diese Systeme immer intelligenter zu machen und die Energie auf intelligentere Weise zu nutzen. Schließlich haben selbst geringfügige Verbesserungen bei den Stromversorgungen wegen der enormen Zahl aktueller netzbetriebener Systeme signifikante Auswirkungen.

Methoden der isolierten Strommessungen

In Bild 1 ist eine PFC-Schaltung (Power Factor Correction) zu sehen, bei der direkt am AC-Eingang eine isolierte Strommessung notwendig ist. Da der gemessene Strom zur Regelung des Schaltwandlers dient, kann sich die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Messschaltung erheblich auf den Gesamtwirkungsgrad und den Leistungsfaktor des Wandlers auswirken.

In der Vergangenheit verursachten isolierte Strommessungen einen hohen Kostenaufwand, wenn präzise Messwerte gewünscht waren. Halleffekt-Stromsensoren ergeben hier die einfachste Implementierung, da sie keine externen Bauteile benötigen und eine bessere Kostenstruktur aufweisen. In der Regel ermöglichen sie jedoch keine Messungen mit geringer Temperaturdrift.

Isolierte Shunt-basierte oder geregelte magnetische Lösungen bringen es verglichen damit auf eine höhere Genauigkeit, jedoch benötigen sie nicht nur mehr Leiterplattenfläche und sind auf externe Bauelemente angewiesen, sondern verursachen auch höhere Kosten. Die Bauelemente TMCS1100 und TMCS1101 von Texas Instruments kombinieren die einfache Anwendung und die niedrigen Kosten eines Halleffekt-Stromsensors mit einer driftfreien, präzisen Signalketten-Architektur. Dadurch ermöglichen sie Messungen mit einem Gesamtfehler von unter einem Prozent in Verbindung mit einer verbesserten Isolationsqualität. Damit entfallen die typischen Nachteilen von Halleffekt-Stromsensoren, die positive Eigenschaften bleiben.

Die Stärken und Schwächen der verschiedenen Methoden für isolierte Strommessungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Ein Referenzdesign für eine GaN-basierte brückenlose CCM-Totem-Pole-PFC-Schaltung und eine Halbbrücken-LLC-Schaltung mit 1 kW Leistung gemäß 80-Plus-Titanium unterstreicht die Auswirkungen eines solchen Stromsensors. Der TMCS1100 sorgt hier für ein kompaktes Design, das auf einen Leistungsfaktor von 0,98 und einen Wirkungsgrad von über 99 Prozent kommt. Die thermische Stabilität des TMCS1100 trägt zur Senkung des Oberschwingungsgehalts um bis zu fünf Prozent bei. Seine galvanische Isolation entkoppelt das System zudem vom Wechselstromnetz und vereinfacht Messungen an AC-Leitungen, und zwar ohne zusätzlichen Bauteileaufwand und mit einer Drift von weniger als 0,5 Prozent.

Lösungen für Hochleistungssysteme

Die Elektrifizierung ermöglicht Verbesserungen der Leistungsfähigkeit, der Zuverlässigkeit und der Lebenszykluskosten, jedoch machen die entsprechenden Systeme trotz immer höherer Packungsdichte eine Isolierung von hohen Gleich- und Wechselspannungen erforderlich. Während viele existierende Lösungen für isolierte Strommessungen auf den Hochvolt-Leiterplatten beträchtlichen Platz einnehmen, werden Halleffekt-Stromsensoren als monolithische Single-Chip-Lösungen angeboten – beispielsweise in SOIC-Gehäusen (Small-Outline Integrated Circuit) mit acht Pins und einem Footprint von nur 5 mm × 6 mm.

Die Isolation der meisten SOIC-8-Sensoren unterstützt jedoch nur eine Arbeitsspannung von ca. 400 V über die gesamte Lebensdauer. Viele Hochleistungs-Batteriesysteme arbeiten aber mit DC-Busspannungen von 400 V und können diese Marke bei Last- und Schaltspitzen teils deutlich überschreiten. Industrielle Systeme mit einer Betriebsspannung von 400 V_AC, die zu einer Gleichspannung von 340 V gleichgerichtet wird, enthalten, wie in Bild 2 zu sehen ist, oftmals eine Hochsetzstufe mit Spannungen von 400 bis 600 V_DC. Ähnlich ist es bei String-Wechselrichtern für PV-Anlagen.

Um über die gesamte Lebensdauer der Isolierung eine hinreichende Sicherheitsmarge zu haben, ermöglichen die im SOIC-8-Gehäuse angebotenen Bausteine TMCS1100 und TMCS1101 eine Arbeitsspannung von 600 V, womit sie die von Industriestandards wie VDE 0884-11 und UL 1577 geforderte Sicherheitsspanne sogar noch übertreffen. Den Geräteherstellern bietet diese Arbeitsspannung hinsichtlich der Isolation somit ausreichend Spielraum, ohne dass auf eine Lösung mit mehr Platzbedarf ausgewichen werden muss.

Verbesserung der Leistungsfähigkeit

Leistungselektronik-Systeme sind für eine möglichst optimierte Leistungsfähigkeit auf eine präzise Rückmeldung ihrer Betriebsparameter angewiesen, damit eine genaue Regelung möglich ist. Wie Bild 3 verdeutlicht, müssen für viele Motorregelungs-Algorithmen die Ströme in den einzelnen Phasenwicklungen des jeweiligen Motors erfasst werden, um das Drehmoment und die Drehzahl zu regeln und den Rotor exakt positionieren zu können. Diese Stromrückmeldung muss nicht nur galvanisch isoliert vom Hochspannungs-Bus erfolgen, sondern auch die Spannungsschwankungen unterdrücken, denen der Stromsensor ausgesetzt ist, und einen hohen Grad an Übereinstimmung zwischen den einzelnen Phasen wahren. Eine niedrige Temperaturdrift verringert die Fehler zwischen den Phasen des Systems und schafft die Voraussetzungen für ein dynamisches Ansprechverhalten sowie eine optimierte Drehmoment- und Drehzahlregelung, während Phänomene wie die Drehmomentwelligkeit gleichzeitig eingedämmt werden.

Beim Design stellt es eine erhebliche Herausforderung dar, die Stabilität der Stromrückmeldung über eine breite Spanne von Betriebs-, Last- und Umgebungsbedingungen hinweg zu gewährleisten. Die hohe Temperaturdrift der bestehenden magnetischen Lösungen hat zur Folge, dass die Regelschleife nur eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit erreicht oder eine Kompensation erforderlich ist, was die Lösungen verkompliziert oder eine Mehrpunkt-Kalibrierung auf Systemebene nötig macht. Diese Mehrpunkt-Kalibrierung aber ist nicht nur teuer, sondern kann ein System auch nicht davor bewahren, dass sich die Leistungsfähigkeit mit der Zeit verschlechtert.

Mit einer Temperaturdrift der Empfindlichkeit von unter 0,3 Prozent und einem Offsetdrift von weniger als 10 mA über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C sorgt die TMCS1100-Familie über ein breites Spektrum von Umgebungsbedingungen hinweg für ein hohes Performance-Niveau. Der geringe Offset in Verbindung mit dem typischen Linearitätsfehler von 0,05 Prozent macht präzise Strommessungen über einen weiten Lastbereich möglich. In Bild 4 ist erkennbar, wie diese Performance-Spezifikationen in einer Full-Scale-Genauigkeit von besser als 0,5 Prozent resultieren – einem Wert, der mit einem unkomplizierten und einfach anwendbaren Format bisher nicht erreichbar war.

Überwachung von Hochspannungs-Systemen

Das massive Wachstum auf dem Computing- und Smart-Factory-Sektor verlangt nach Verbesserungen bei der Überwachung und Diagnose, damit bessere Erkenntnisse über den Energieverbrauch, die Performanz des jeweiligen Systems sowie den Gesundheits- und Betriebszustand des jeweiligen Equipments gewonnen werden können.

Stromsensoren mit unzureichender Genauigkeit gehen zulasten der Effektivität der Automatisierungslösungen, während teurere Systeme der Anzahl der nutzbaren Sensorknoten eine Grenze setzen. Die TMCS1100-Familie schafft hier bessere Voraussetzungen, indem sie eine einfachere Lösung bereithält, die den Aufwand für isolierte Strommessungen verringert und gleichzeitig die erforderliche Leiterplattenfläche reduziert – ein Vorteil speziell für Systeme mit beengten Platzverhältnissen.

Ganz ähnlich, wie aktuelle Computer die Betriebsbedingungen der Prozessoren variieren, um sich der jeweiligen Last und dem geforderten Datendurchsatz anzupassen, lassen sich solche Optimierungen auch auf ganze Produktions- oder Kommunikationsnetzwerke anwenden. Durch die individuelle Überwachung der Anlagen in einem größeren Netzwerk wird es möglich, auf der Basis von Messungen des Energieverbrauchs die Auslastung auszugleichen sowie bestimmte Systeme zu drosseln oder gar ganz abzuschalten.

Die entscheidende Herausforderung, die mit einem solchen Optimierungskonzept verbunden ist, besteht in der präzisen Messung des Energieverbrauchs oder der Auslastung über ein breites Spektrum von Rahmenbedingungen. Hier ermöglicht die niedrige Offsetdrift des TMCS1100 und des TMCS1101 genaue Messungen über einen weiten Dynamikbereich. In Bild 5 ist zu sehen, wie über einen Laststrombereich von <0,1 A bis 20 A eine Messung der Wirkleistung mit einem Fehler von unter 0,5 Prozent möglich ist.

Wenn ein präziserer Sensor mit geringerer Langzeitdrift und höherer Temperaturstabilität zur Verfügung steht, lassen sich also bereits kleinere Änderungen der Leistungsfähigkeit detektieren, denn der Sensorfehler entscheidet letztendlich darüber, welche Abweichungen noch feststellbar sind. (bs)