Der Bedarf an industriellen Stromsensoren steigt stetig, da detaillierte Informationen über aktuell fließende Ströme für verschiedene Applikationen erforderlich sind – angefangen von Solarumrichtern und elektrischen Antrieben über Stromversorgungen, Server- und Telekom-Applikationen, Robotik, Beleuchtungsmanagement, Haushaltsgeräte und Smart Metering bis hin zu Elektro- und Hybridfahrzeugen. Jede Anwendung weist dabei unterschiedliche Kriterien auf. Grundsätzlich sind jedoch Sensoren gefordert, die möglichst wenig Platz beanspruchen, geringe Verluste aufweisen, flexibel und kosteneffektiv sowie über die gesamte Lebenszeit hochgenau, robust und sicher im Betrieb sind. Der Hall-basierende Stromsensor Xensiv TLI4971 erfüllt als erstes Mitglied einer neuen Coreless-Stromsensor-Familie von Infineon diese Anforderungen.

Eckdaten

Die Anforderungen an Stromsensoren sind hoch und unterscheiden sich von Anwendung zu Anwendung. Dementsprechend hoch ist die Zahl der angebotenen Lösungen auf dem Markt. Es gilt  vor allem die Art des Messfahrens – Open oder Closed Loop – zu unterscheiden. Zudem gibt es Varianten mit oder ohne Ringkern. Auch Faktoren wie Wirkungsgrad und Größe spielen bei der Wahl der richtigen Stromsensoren eine Rolle.

Es sind zahlreiche Stromsensoren mit verschiedenen Verfahren auf dem Markt. Grundsätzlich lässt sich zwischen resistiven und magnetischen Konzepten bei der Strommessung unterscheiden. Beim resistiven Verfahren (Shunt) wird der Spannungsabfall über einen vom Messstrom durchflossenen Widerstand gemessen. Bei den magnetischen Verfahren (Bild 1) muss zusätzlich noch zwischen direkt abbildenden Sensoren (Open Loop) und Kompensationssensoren (Closed Loop) unterschieden werden. Außerdem gibt es Ausführungen mit und ohne Ringkern (coreless). In kernbehafteten Open-Loop-Systemen erzeugt der Primärstrom im Ringkern ein magnetisches Feld, das ein Magnetsensor dann in eine Messspannung umsetzt. Die kleine, zur Feldstärke proportionale Ausgangsspannung wird dann verstärkt und stellt das Ausgangssignal des Sensors dar.

Bei Closed-Loop-Systemen kompensiert eine Sekundärwicklung den durch den Primärstrom erzeugten Magnetfluss, wobei ein Magnetsensor mit entsprechender Elektronik verwendet wird, um den Kompensationsstrom zu steuern und zu messen. Die wesentlichen Einschränkungen von Closed-Loop-Wandlern sind die höhere Stromaufnahme der sekundärseitigen Stromversorgung, die den Kompensationsstrom liefern muss, die größeren Abmessungen und ein im Verhältnis zur einfacheren Open-Loop-Bauform teureres Design.

Bild 1: Magnetbasierte Strommessung kann in Open-Loop- und Closed-Loop-Konfiguration, mit und ohne Ringkern, erfolgen.

Bild 1: Magnetbasierende Strommessung kann in Open-Loop- und Closed-Loop-Konfiguration, mit und ohne Ringkern, erfolgen. Infineon

Kernbasierende Verfahren haben grundsätzliche Nachteile bezüglich der Verluste im Kern, Sättigungs- und Hysterese-Effekten sowie Langzeitdrift. Kernlose magnetische Stromsensoren kommen ohne Magnetkern aus, um das Magnetfeld zu konzentrieren. Daher sind äußerst kleine Ausführungen solcher Sensoren möglich. Shunt-basierende Stromsensoren haben zwar auch keinen magnetischen Kern, sind aber Widerstands-basierend. Daher weisen sie eine höhere Verlustleistung auf.

Die kernlose Technologie bietet weitere Vorteile: galvanische Isolation, geringe Verluste und hohe Genauigkeit über die Temperatur. Außerdem tritt praktisch keine magnetische Hysterese auf. Allerdings können ohne den Kern Streufelder die Messungen beeinflussen. Dem kann man durch ein sauberes Board-Layout begegnen, oder aber man nutzt eine differenzielle Sensorzelle, um das Magnetfeld beziehungsweise den Strom zu erfassen

Der Coreless-Stromsensor TLI4971

Bild 2: Die hochpräzisen und robusten „Coreless“-Stromsensoren TLI4971 sind für vielfältige Industrie-Anwendungen ausgelegt.

Bild 2: Die hochpräzisen und robusten Coreless-Stromsensoren TLI4971 sind für vielfältige Industrieanwendungen ausgelegt. Infineon

Die Sensor-Familie von Infineon besteht aus ringkernlosen, auf dem Hall-Effekt basierenden Stromsensoren mit präziser und stabiler Messung und hoher Linearität. Die Sensoren sind für vielfältige Industrieapplikationen ausgelegt. Das Spektrum reicht von allgemeinen Wechselrichtern in Antrieben über Photovoltaik-Inverter, Robotik, Ladegeräte, Batterie-Managementsysteme und Smart Metering bis hin zu Elektrowerkzeugen und Weißer Ware (Bild 2). Der Xensiv TLI4971 deckt den Strommessbereich von ± 25 bis ± 120 A ab. Er ist unter anderem für industrielle Anwendungen wie Motorantriebe bis zu 50 kW oder Photovoltaik-Wechselrichter ausgelegt.

Bild 3 zeigt das Blockdiagramm des Xensiv TLI4971. Der Stromfluss durch die Stromschiene auf der Primärseite induziert ein magnetisches Feld, das von den zwei differenziellen Hall-Elementen gemessen wird. Ein leistungsfähiger Verstärker kombiniert das Signal des differenziellen Feldes mit der Kompensationsinformation der Temperatur- und Stressmessung. Letztendlich dient das Ausgangssignal des Verstärkers dazu, den analogen Sensorausgang zu treiben.

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Bild 3: Block-Diagramm des TLI4971 mit den wesentlichen Funktionsmerkmalen.

Bild 3: Blockdiagramm des TLI4971 mit den wesentlichen Funktionsmerkmalen Infineon

Die neuen Open-Loop-Stromsensoren geben das Messergebnis als analoges Spannungssignal aus. Sie nutzen die bewährte Kompensationstechnik von Infineon für die Temperatur und den mechanischen Stress. Dadurch erreichen die Sensoren einen Empfindlichkeitsfehler < 3 Prozent über Temperatur. Mit einer einfachen Kalibrierung bei Raumtemperatur lässt sich der Fehler sogar auf unter 2 Prozent reduzieren. Darüber hinaus ermöglicht die differenzielle Messung mit zwei Hall-Zellen auch bei rauschbehafteten Umgebungen mit Übersprechen von benachbarten Stromleitungen oder magnetischen Störfeldern eine hohe Genauigkeit.

Aufgrund des kernlosen Open-Loop-Konzepts findet der TLI4971 Platz in einem kleinen Leadless-TISON-8-Gehäuse (8 mm x 8 mm x 1 mm). Das spezielle Layout der Stromschiene ermöglicht ein gutes thermisches Verhalten für Wechselströme bis zu 120 A. Das kompakte Gehäuse bietet eine galvanische Isolation bis zu 1150 V (maximale repetitive Isolationsspannung VIORM) und eine Kriech- und Luftstrecke von 4 mm für eine hohe Robustheit.

Beim TLI4971 optimierte Infineon den Strompfad, der durch den Sensor verläuft. Auf der Gehäuseunterseite (Bild 4) ist das entsprechende Hockey-Stick-Design zu erkennen. Damit erreicht der auf die Leiterplatte gelötete Sensor einen Widerstand von typ. 225 mW. So lassen sich die Leistungsverluste bei maximaler Empfindlichkeit auf 0,55 W bei 50 Aeff reduzieren.

Die wesentlichen Funktionsmerkmale des TLI4971:

  • analoger Ausgang mit 120 kHz Bandbreite
  • differenzielle Messungen mit zwei hochempfindlichen Hall-Zellen
  • hohe Genauigkeit (2 Prozent Fehler bei Raumtemperatur)
  • Temperatur- und Stresskompensation
  • keine Hysterese und robust gegen Streufelder
  • hohe Linearität
  • verschiedene Ausgangs-Modi: differenziell oder single-ended – auch über EEPROM einstellbar
  • interne oder externe Referenzspannung
  • Diagnose-Modus
  • kleines SMT-Gehäuse mit geringem Widerstand

Die Trennung von Control- und Schutzfunktion resultiert in optimierten Signalpfaden. Auf der Control-Seite erfolgt die Übermittlung der analogen Signale mit hoher Genauigkeit und geringem Rauschen. Digitale Schutzfunktionen laufen über einen separaten Signalpfad mit geringer Verzögerung und ermöglichen so eine Überstromerkennung innerhalb von typisch 700 ns. Umfassende Testfunktionen sichern die Signalintegrität und den Sensor.

Schneller Überstromschutz

Bild 4: Dank des kernlosen Designs findet der TLI4971 in einem kompakten PG-TISON-8-Gehäuse mit 8 mm x 8 mm x 1 mm Platz und kann mittels SMT automatisiert bestückt werden.

Bild 4: Dank des kernlosen Designs findet der TLI4971 in einem kompakten PG-TISON-8-Gehäuse mit 8 mm x 8 mm x 1 mm Platz und kann per SMT automatisiert bestückt werden. Infineon

Neben der genauen Strommessung können Systemdesigner auch einen sehr effizienten Schutz der Leistungsendstufe implementieren, denn bei externen Kurzschlüssen können beispielsweise kritische Überströme auftreten. Ein zum analogen Ausgangspfad unabhängiger, parallel arbeitender Signalpfad erlaubt eine schnelle und zuverlässige Erkennung von möglichen Überlastströmen mit sehr kurzer Latenzzeit. Die symmetrischen Schwellwerte sind für beide Ausgänge (OCD1 und OCD2) individuell einstellbar und triggern ein Überstromereignis bei positivem oder negativem Überstrom. Verbunden mit dem Logikeingang eines Mikrocontrollers können die OCD-Pins zum Beispiel einen Interrupt im Mikrocontroller triggern und das System im Bedarfsfall abschalten und vor Beschädigung schützen. Ein OCD-Kanal kann auch direkt mit dem Treiber der Ausgangsstufe verbunden werden, um bei einer Überlast die IGBTs abzuschalten.

Ein vom Anwender programmierbarer Glitch-Filter verhindert eine Fehlindikation durch schnelle Schalttransienten. Mit den programmierbaren Schwellwert- und Glitch-Parametern können Entwickler die Sensoren an die Applikationsanforderungen anpassen. Darüber hinaus liefert der Sensor auch Signale im Fall einer Überspannungs- und Unterspannungsbedingung der Versorgungsspannung.

Präzise Strommessung in Solarwechselrichtern

Aufgrund der flexiblen Konfiguration ist der Sensor für eine Vielzahl an Applikationen ausgelegt. Messbereich, OCD-Schwellwerte, Blanking-Zeiten und Ausgangs-Modi sind für Anwender zugänglich in einem EEPROM angelegt. Diesen Speicher können Entwickler vor Ort über eine SIC-Schnittstelle (Serial Inspection and Configuration Interface) programmieren.

Bild 5: Blockschaltbild für einen Solar-Wechselrichter mit dem TLI4971.

Bild 5: Blockschaltbild für einen Solarwechselrichter mit dem TLI4971 Infineon

Die Stromsensoren eignen sich unter anderem für Strommessungen in Photovoltaik-Wechselrichtern (Bild 5). Bei netzgekoppelten Anlagen wandelt ein Wechselrichter die von den Solarmodulen erzeugte Gleichspannung in netzübliche Wechselspannung (115 oder 230 V), um sie dann ins Stromnetz einspeisen zu können. Der typische Leistungsbereich der Kleinwechselrichter liegt bei 1,5 bis 6 kW Spitzenleistung. Stromsensoren in Solarwechselrichtern überwachen zum Beispiel den Ausgangswechselstrom, der in das Stromnetz eingespeist wird, sowie dessen Gleichstromanteil. Für Betreiber von Solarstromanlagen ist eine präzise Strommessung besonders wichtig, da diese die Grundlage der Einspeisevergütung darstellt. Aber die Stromsensoren helfen nicht nur dabei, die Einspeisung korrekt zu ermitteln. Sie sind auch in der Lage technische Fehler an Solarmodulen, wie sie durch Zellbruch oder Blitzschlag entstehen, schneller und einfacher zu entdecken.

Den vom Solarpanel erzeugten Gleichstrom wandelt ein Wechselrichter in Gleichstrom um. Die Elektronik im Wechselrichter muss die eingesetzten IGBTs mit Pulsbreiten-Modulation so ansteuern, dass ein möglichst perfekter Sinus entsteht. Dazu wird der Ausgangsstrom über Stromsensoren erfasst und die Pulsbreiten-Modulation dynamisch angepasst. Eventuelle Offset-Fehler in der Strommessung führen dabei zwangsweise zu einem Offset-Anteil im Ausgangsstrom des Wechselrichters.

Offset-Fehler in der Strommessung bestehen aus zwei Fehleranteilen. Einem statischen Fehler, der auch bei Temperaturänderungen konstant bleibt, und einem temperaturabhängigen Fehler. Der statische Offset in der Strommessung lässt sich über die Regelung korrigieren. Offset-Fehler durch Temperaturdrift im Betrieb sind nicht mehr korrigierbar. Ein für die Solartechnik geeigneter Stromsensor sollte folglich nur eine sehr geringe Temperaturdrift zeigen.