CFS1000-Stromsensoren erhöhen die Leistungsdichte

Autor / Redakteur: Rolf Slatter * / Gerd Kucera

Mit Ausblick auf Anwendungen wie Electric Vehicle, Synchronmotor-Regelung und WBG-Leistungselektronik skizziert dieser Artikel den Nutzen einer neuen Stromsensor-Generation auf AMR-Basis.

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Bild 1: Das Funktionsprinzip eines AMR-Stromsensors.
Bild 1: Das Funktionsprinzip eines AMR-Stromsensors.
(Bild: Sensitec)

Im Detail ist nachfolgend die neue Stromsensorgeneration beschrieben, für die das Entwickler-Team der Sensitec den Innovationspreis Rheinland-Pfalz 2018 erhielt. Auf der Basis des magnetoresistiven Effekts ermöglicht der Sensor CFS1000 den Entwurf leistungselektronischer Systeme mit sehr hoher Leistungsdichte für beispielsweise Umrichter und Ladesäulen.

Der sensorische Nutzen des AMR-Effekts

Magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) können auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen, haben aber die Gemeinsamkeit, dass sich der elektrische Widerstand des Sensorelements unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert. Die inneren Strukturen der MR-Sensoren lassen sich in mannigfaltigen Anordnungen realisieren, wodurch die Sensortechnologie für unterschiedliche Anwendungen adaptierbar ist. D.h. es lassen sich zum Beispiel Magnetfeld-Winkel, Magnetfeld-Stärke oder Magnetfeld-Gradienten erfassen.

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Der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt) ist seit 150 Jahren bekannt und wurde erstmals 1857 von Lord Kelvin entdeckt. Der AMR-Effekt tritt in ferromagnetischen Werkstoffen auf, etwa in Nickel-Eisen-Schichten, die als Streifenelemente angelegt sind und deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert.

Durch eine geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können sehr unterschiedliche Sensoren konstruiert werden, um beispielsweise einen Magnetfeld-Winkel, eine Magnetfeld-Stärke oder einen Magnetfeld-Gradienten zu erfassen.

Die sensorische Nutzung konnte jedoch erst vor gut 30 Jahren mit der Dünnschichttechnik voran gebracht werden. MR-Sensoren erobern seitdem ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung [1]. Die Einsatzgebiete sind jedoch nicht auf irdische Anwendungen begrenzt – sie kommen auch zum Steuern der elektrischen Antriebe an Bord von Curiosity zum Einsatz, dem Fahrzeug, das im August 2012 erfolgreich auf dem Mars gelandet ist.

MR-Sensoren eignen sich insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, wie beispielsweise in Raddrehzahlsensoren für das ABS-System oder als Lenkwinkelsensoren für das ESP-System in Automobilen. Der magnetoresistive Effekt ist zudem besonders interessant für die Strommessung. Die äußerst hohe Empfindlichkeit stellt sicher, dass man keinen Eisenkern verwenden muss, um das Magnetfeld, das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, zu konzentrieren.

Das bedeutet, dass MR-basierte Stromsensoren kaum Hysterese aufweisen und eine wesentlich höhere Bandbreite haben. Im Vergleich zu Shunt-Lösungen bieten MR-Sensoren zudem den Vorteil der galvanischen Trennung bei extrem geringeren Verlusten. Dies ist besonders wichtig in Hochspannungsanwendungen bzw. dort, wo die gesamte Leistungseffizienz ein wichtiger Design-Treiber ist, wie bei der Elektromobilität.

Der magnetoresistive Effekt bietet eine einzigartige Kombination von Bandbreite, Auflösung, Miniaturisierung und Robustheit und ist besonders für kompakte, schnelle Stromsensoren geeignet. Die Verlustleistung ist deutlich geringer als bei Shunt-Widerständen und die Responsezeit fast eine Größenordnung schneller als bei Hall-Effekt basierenden Stromsensoren. Weiterhin verfügen MR-Stromsensoren über eine sehr hohe Bandbreite, welche für den Einsatz von neuen leistungselektronischen Technologien wie SiC-Schalter und Dioden eine Bedingung darstellt.

Der Aufbau und die Funktion von AMR-Stromsensoren

Das prinzipielle Funktionsprinzip der AMR-Stromsensoren (anisotrope magnetoresistive Sensoren) basiert auf einer kompensierten Differenzfeldmessung. Der Primärstrom fließt durch einen U-förmigen Leiter, beispielsweise eine Stromschiene, und erzeugt eine Magnetfelddifferenz zwischen den beiden Seiten des Leiters. Diese Differenz (Gradient) wird vom Sensorelement, das sich oberhalb der Stromschiene befindet, gemessen (Bild 1).

Durch diese Anordnung werden Einflüsse von externen homogenen Störfeldern eliminiert, die in der Praxis in fast jeder Anwendung anzutreffen sind. Die Signale des Sensorelements werden durch einen Kompensationsstrom ausgeglichen. Der für diese Rückkopplung notwendige Kompensationsleiter ist im MR-Sensor integriert.

Durch diese Integration und den daraus resultierenden geringen Abstand zum MR-Sensorelement reicht ein äußerst geringer Kompensationsstrom aus. Die Größe des Kompensationsstroms ist das Maß für den Messstrom und stellt das Ausgangssignal des Stromsensors dar. Durch diese Rückkopplung, auch Closed-Loop-Prinzip genannt, erreicht der Sensor eine hohe Linearität und ein stabiles Temperaturverhalten. Das Ergebnis ist ein kleiner und leichter Stromsensor, der unempfindlich für homogene Störfelder und Temperaturschwankungen ist und einen geringen Stromverbrauch und geringe Verlustleistung aufweist.

Zur Auswertung der MR-Sensorsignale bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an. Etabliert sind hierbei die Umsetzung als diskrete Schaltung mit Operationsverstärkern und passiven Bauelementen auf einem Hybrid-Dickschicht-Substrat oder als automobil-qualifizierbare Ausführung mit einem speziellen ASIC als System in Package (SiP) in einem JEDEC-konformen SOIC Gehäuse (Bild 2). Ausgehend vom Funktionsprinzip bieten sich für die praktische Ausführung des Stromsensors zwei grundsätzliche Bauformen an.

Zum einen lassen sich die Stromschienen direkt mit dem Sensor-Modul integrieren, sodass die Stromsensoren für einen definierten Strombereich schon beim Hersteller gefertigt werden. Diese Art von Sensor muss vom Anwender nur noch in den Strompfad der Leiterplatte eindesigned werden und funktioniert ohne weitere Kalibrierung.

Alternativ zu Sensoren mit integrierter Stromschiene besteht die Möglichkeit, den Stromsensor so zu konzipieren, dass der Endanwender „seine“ Stromschiene gemäß des gewünschten Strombereichs und der geometrischen Randbedingungen realisiert. Die Stromzuführung für den Sensor kann für kleine Ströme (z.B. bis 25 A) direkt in den Metallisierungslagen von Hochstromleiterplatten erfolgen (Bild 3). Für höhere Ströme sind den Anwendungen entsprechende Stromschienen zu entwickeln (Beispiele dazu im nächsten Abschnitt). Für den Einsatz von Sensoren ohne integrierte Stromschiene ist zu beachten, dass durch den Anwender ein Abgleich des Sensors in der unmittelbaren Messumgebung erfolgen muss.

Anwendungsbeispiele: Stromschienen für höhere Ströme

In einer regelmäßig aktualisierten Roadmap für Leistungsdichte dokumentiert das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) den Trend zu immer höherer Leistungsdichte für Umrichter und DC/DC-Wandler [2]. Der Einfluss von WBG-Bauteilen (Wide Bandgap) ist eindeutig zu erkennen. Es entstehen interessante neue Anwendungen für schnelle, integrierte Stromsensoren bei DC/DC-Wandlern. Die Anforderungen bezüglich Bandbreite der Stromsensoren steigen bis in den MHz-Bereich, um die Leistungsdichte noch weiter zu erhöhen [3,4]. Auch in sicherheitskritischen Anwendungen wie in Umrichtern für Elektromotoren steigt der Bedarf für schnelle Stromsensoren, da Überstromereignisse im Nanosekunden-Bereich detektiert werden müssen.

In einer beispielhaften Anwendung wurde eine 1-Phasen-Hochstrom-Strommessung eines SiC-Umrichters in einem extrem kompakten Antriebssystem-Konzept für Hybrid-Nutzfahrzeuge des Herstellers Volvo entwickelt (Bild 4). In dem von der EU geförderten Projekt COSIVU [5, 6] geht es um die Entwicklung einer neuen Systemarchitektur für eine kompakte und intelligente Antriebseinheit für Elektrofahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge (Bild 5).

Innerhalb des Einzelradantriebs befindet sich neben dem Elektromotor, dem Getriebe und der vollständig auf Siliziumkarbid (SiC) basierenden Leistungselektronik sowie Systemen zur Zustandsüberwachung ebenfalls eine neuartige kompakte Kühlung. Gegenüber dem Stand der Technik konnte eine Effizienzsteigerung von 20% mit entsprechend erhöhter Fahrleistung aufgrund deutlicher Gewichtsreduzierung (30%) sowie Reduzierung der Verluste im Leistungsmodul (50% bis 70%) erreicht werden [7]. Die SiC-basierten Leistungstransistoren (1200 V, 500 A) im modularen Umrichter ermöglichen einen effizienten Betrieb, insbesondere dann, wenn der Umrichter mit hohen Schaltfrequenzen betrieben wird. In dieser Anwendung konnte die hohe Bandbreite der MR-basierten Strommessung anhand einer etwa 4-fach geringeren Reaktionszeit gegenüber Hall-Sensoren direkt nachgewiesen werden. Zudem hat diese Lösung eine höhere Genauigkeit als bisherige. Für dieses Projekt wurde der auf einer Platine befindliche CFS1000-Sensor vergossen und zur Abschirmung der erwarteten großen Magnetfelder magnetisch geschirmt.

[1] Scherner, S., Slatter, R.: “New applications in power electronics for highly integrated high-speed magnetoresistive current sensors”, Proc. of 8th Intern. Conference on Integrated Power Electronic Systems - CIPS, Nürnberg, 2014

[2] März, M., “Lösungen für lokale Gleichstromnetze – Fraunhofer IISB zeigt Neuheiten auf der PCIM Europe 2014”, Fraunhofer IISB, Mai 2014

[3] Eckardt, B., “Effizienz an Bord – Ein Bündnis aus Forschung und Industrie entwickelt miniaturisierte Leistungselektronik für Flug- und Kraftfahrzeuge“, Fraunhofer IISB, Juli 2011

[4] Slatter, R., Buss, R., “The Role of Magnetic Sensors in the Hybridization and Electrification of Commercial Vehicles“, Proc. of 3rd International Commercial Vehicle Technology Symposium, Kaiserslautern, 11.-13.3.2014

[5] Andersson, A, “COSIVU – Compact, Smart and Reliable Drive Unit for Commercial Electrical Vehicles”, 18th International Forum on Advanced Microsystems for Automotive Applications (AMAA), Berlin, 23.-14.6.2014

[6] Otto, A. et al, “Reliability for new SiC BJT Power Modules for Fully Electric Vehicles”, 18th International Forum on Advanced Microsystems for Automotive Applications (AMAA), Berlin, 23.-14.6.2014

[7] Nord, S., Hilpert, F. & Brusius, M., “Integration of Magnetoresistive Current Sensors into the COSIVU Smart Drive System”, Proc. of 13th MR-Symposium, Wetzlar, 2015

[8] Mühlfeld, o. et al, “Automotive Traction Inverter for Highest Power Density“, Proc. of PCIM Europe 2015 Conference, Nürnberg, 2015

[9] Kaiser, K. et al, “Design of a lightweight DC/DC converter providing fault tolerance by series connection of low voltage sources”, Proc. of 1st Aerospace Sensors Conference, Frankfurt / Main, 2012

[10] Goffin, B., “Hermetic packaging of an AMR current sensor for space applications”, Proc. of 13th Symposium for Magnetoresistive Sensors and Magnetic Microsystems, Wetzlar, 2015

[11] Slatter, R., “High bandwidth current sensors as an enabler for advanced control techniques”, Proc. of 4th International Conference on Electric Drives Production – EDPC, Nürnberg, 2014

[12] Landsmann, P. & Kennel, R., “Rotor Position Estimation based on Current Oversampling”, Proc. of 13th MR-Symposium, Wetzlar, 2015

* Dr. Rolf Slatter ist Geschäftsführer der Sensitec in Mainz.

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