Pričakuje se, da se bodo trgi odprli za senzorje, ki lahko zagotovijo odzivne čase do 100 ns in z mejnimi frekvencami nad 1 MHz.
LIFE ENERGY MOTION
2022-305-20
Veliko tega, kar mnogi operaterji v industrijskem svetu želijo doseči v smislu trajnosti in povečanja produktivnosti, se vrti okoli najučinkovitejših energetskih pretvornikov. Primeren za delo v najtežjih okoljih, vključno s širokim temperaturnim razponom, bo napajalni pretvornik prihodnosti moral biti visoko zmogljiv, a lahek, tih in sposoben visokofrekvenčnega delovanja. Nizka poraba energije bo bistvenega pomena.
Zahteva po visoki frekvenci in potreba po čim bolj kompaktni izvedbi pomenita, da morajo močnostni pretvorniki vključevati manjše pasivne komponente, če želimo izkoristiti prednosti zmanjšane velikosti in teže. Trend odmika od čistega silicija in vse pogostejše uporabe MOSFET-ov iz visokofrekvenčnega silicijevega karbida (SiC) v visokonapetostnih stikalnih močnostnih vezjih je omogočil zmanjšanje prostorskih zahtev, znižanje stroškov, povečanje učinkovitosti in izboljšanje zmogljivosti.
Zaradi svojih hitrejših stikalnih zmogljivosti lahko naprave, ki temeljijo na SiC, delujejo v pasovnih širinah, ki so višje od 100 kHz. To je privedlo do njihove uporabe v aplikacijah, kot so neprekinjeno napajanje (UPS), solarni pretvorniki, izmenični pretvorniki s spremenljivo hitrostjo in servo motorji, korekcija faktorja moči (PFC) in računalniško vodene varilnenaprave.
Vendar pa je vedno obstajal kompromis med zmogljivostjo in odzivnim časom in uporabniki v teh različnih tržnih sektorjih so se borili za rešitev, ki bi lahko zadovoljila njihove vse težje zahteve. Medtem ko so klasični pretvorniki z odprto zanko in različice z zaprto zanko zmožni frekvenčnega odziva do 300 kHz, na današnjem trgu ti še vedno ne zadostujejo za potrebe zaznavanja z visoko pasovno širino, ki so bile posledica uporabe bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati (IGBT) iz SiC.
Pasovna širina nad 1MHz
Na podjetje LEM, vodilno na trgu pri zagotavljanju inovativnih in visokokakovostnih rešitev za merjenje električnih parametrov, se je obrnila stranka iz sektorja varjenja, za katero so se obstoječi odzivni časi in frekvenčni odzivi na njihovih močnostnih pretvornikih izkazali za neustrezne. V tem ozadju je LEM razvil hibridni pretvornik, ki je več kot potrojil raven zmogljivosti katere koli podobne naprave na trgu.
Hibrid je mešanica ASIC (integrirano vezje, specifično za aplikacijo) in pretvornika, ki temelji na DC, s praktično zgolj induktivno tuljavo za pospešitev signala. Zahvaljujoč senzorski tuljavi na LEM-ovem ASIC-u je pretvornik sposoben reagirati kot tokovni transformator. Medtem ko obstoječi AC pretvorniki, ki temeljijo na zgolj induktivni tuljavi, lahko dosežejo višje ravni, do zdaj ni bilo DC pretvornika, ki bi imel tehnologijo odprte zanke in senzorsko tuljavo, ki bi lahko delovala pri pasovnih širinah nad 1 MHz.
Rešitev podjetja LEM – družina HOB, ki je sestavljena iz približno 20 tokovnih senzorjev z nizko porabo energije, ki so sposobni meriti enosmerni, izmenični ali impulzni tok do 250 A – je bila razvita za doseganje ciljev zaznavanja z visoko pasovno širino pri uporabi hitrihstikalnih SiC MOSFET-ov v visokonapetostnih impulznih močnostnih vezjih, kjer so hitri in prilagodljivi visokonapetostni impulzi nujni. Stranka je posebej želela rešitev vrhunske zmogljivosti, ki zagotavlja hitre odzivne čase in razširjeno pasovno širino, vse v manjšem ohišju.
Popolnoma drugačna polprevodniška tehnologija
Medtem ko bi senzor z zaprto zanko običajno predstavljal drago cenovno možnost za kateri koli sektor, ki želi doseči te cilje, LEM pričakuje, da bo njegov hibridni pretvornik hitro postal privlačen za vrsto trgov, ki želijo sprejeti kakršne koli stikalne pretvornike, ki temeljijo na SiC in GaN (galijev nitrid) napajalnih modulih s široko pasovno vrzeljo (WBG). Rastoči trend pretvornikov stikalnega načina je posledica potrebe po čim manjših napravah in opremi ter po doseganju vrhunskih razmerij moč/teža.
Zahvaljujoč temu, kar LEM imenuje “popolnoma drugačna polprevodniška tehnologija”, zelo hitri SiC ali GaN tranzistorji ne zagotavljajo le hitrejšega preklopnega časa, temveč nudijo tudi višje frekvenčne zmogljivosti in višjo odpornost na napetost. Podjetje pričakuje, da bo ta tranzistorska tehnologija postala norma v samo petih letih.
Veliko pomembnejši od frekvenčne pasovne širine v HOB družini pa je odzivni čas – čas med primarnim tokom in izhodom na pretvorniku. To je bil ključni dejavnik za stranko podjetja LEM, ki se je zavedala, da morajo tranzistorji, ki preklapljajo vedno hitreje, imeti tokovni pretvornik, ki lahko čim bolj natančno sledi di/dt (hitrosti spremembe toka).
Odziv le 100ns
Medtem ko je di/dt lahko s to tehnologijo dosegel celo 500 A na mikrosekundo (morda celo 1 kA/us), je bil odzivni čas na drugih pretvornikih tradicionalno približno 1,5 mikrosekunde. Za svojo stranko se je LEM zavezal, da bo zagotovil zajamčeno stopnjo odziva v 200 nanosekundah. Ta cilj ni bil le dosežen, ampak je bil tudi presežen, saj sta novi HOB in njegova senzorska tuljava ponujala 150 ns odzivnega časa (10-krat hitreje kot karkoli drugega na trgu). V nekaterih primerih je bila stopnja odziva le 100 ns.
Modeli v HOB družini ponujajo nazivne tokove 50A, 75A, 100A in 130A, s tokovi pri največji moči (Ipm) 2,5-krat večji od nazivnih vrednosti. Posebni (SP) modeli v seriji so izdelani po meri, da ustrezajo individualnim uporabniškim specifikacijam, vendar imajo vsi mejno frekvenco (pri -3dB) nad 1MHz. Standardna HOB družina pretvornikov ima napajalnik 5 V (z referenčno napetostjo 2,5), drugi modeli pa imajo napajalnike 3,3 V, 3,4 V in 3,5 V. Vsi so sposobni delovati pri temperaturah od -40°C do +105°C.
Med drugimi značilnostmi, ki postavljajo HOB senzor pred konkurente, so galvansko ločevanje med primarnim in sekundarnim krogom, integrirana zbiralka in inovativen dizajn, THT tehnologija montaža naTIVpa omogoča prihranek prostora.
Prihodnost hibridne tehnologije
Hibridni pretvornik, z enakim odtisom kot prejšnji pretvorniki na trgu, temelji na tehnologiji, ki jo je LEM v preteklosti uspešno zagotovil za avtomobilski sektor. Vendar pa LEM zaradi izboljšane kompaktnosti in vrhunske zmogljivosti pričakuje, da se bo tehnologija razširila na druga področja, ko se bodo stroški proizvodnje tranzistorjev zmanjšali in se bosta avtomatizacija ter obseg povečala.
Pričakuje se, da bo prihodnost te nove hibridne tehnologije zagotovljena, ko se bo trg povečal za aplikacije z zelo nizkimi stroški, odličnimi zmogljivostmi in visokim odzivnim časom. Nekatere izjemno zahtevne aplikacije, ki so kot nalašč za LEM-ovo novo HOB enoto, vključujejo ročne plazma rezalnike, varilnike in DC-DC pretvornike, pa tudi prej omenjeni trg UPS naprav, stikalnih napajalnikov, AC in servo motornih pogonov, ter statičnih pretvornikov za enosmerne motorne pogone.
LEM že prejema zahteve strank za pretvornik, nameščen na TIV, ki ponuja nazivne tokove 300 A, 600 A in več. Čeprav je težko natančno ugotoviti, kako hitro se bo povpraševanje premaknilo, se je LEM postavil v položaj, ko je zdaj pripravljen ponuditi proizvode z odprto zanko z večobmočnim tokovnim senzorjem, ki združuje odzivne čase brez primere in frekvenčno pasovno širino za veliko število trgov. Vse to z zanesljivostjo, nizko porabo energije, nizkim šumom in izboljšano odpornostjo na težave z dv/dt (pospeševanjem), ki jim lahko imajo SiC napajalni moduli.
LEM – Life Energy Motion
Podjetje LEM je vodilno na področju električnih meritev. LEM razvija najboljše rešitve za energijo in mobilnost ter zagotavlja, da so sistemi njihovih strank optimizirani, zanesljivi in varni. S 1500 zaposlenimi v več kot 15 državah, ki spreminjajo tehnološki potencial v močne odgovore, LEM razvija in zaposluje najboljše globalne talente, ki so v ospredju mega trendov, kot so obnovljivi viri energije, mobilnost, avtomatizacija in digitalizacija.
S svojimi inovativnimi električnimi rešitvami LEM pomaga strankam in družbi pospešiti prehod v trajnostno prihodnost. Od leta 1986 kotira na SIX Swiss Exchange, simbol podjetja je LEHN.
https://www.lem.com
