Migliore efficienza dei sistemi ad alta tensione con il rilevamento di corrente a effetto Hall con deriva zero

Autore: Steven Loveless Ingegnere di sistema, Rilevamento della corrente e della posizione in Texas Instruments

La proliferazione di componenti elettronici ad alta tensione e connessi in corrente alternata in veicoli elettrici e sistemi di automazione industriale aumenta la necessità di controllare, monitorare e proteggere le apparecchiature con cui interagiamo quotidianamente. Il rilevamento della corrente isolata soddisfa un’esigenza essenziale in questi campi, fornendo misurazioni operative critiche. Per il rilevamento della corrente isolata esistono diverse implementazioni e soluzioni, con notevoli differenze in termini di livelli di isolamento, prestazioni, spazio sul circuito stampato (PCB) e costi.

Questo documento tecnico spiega come rispondere alla crescente esigenza di misurare la corrente isolata, superando le barriere tecniche e di costo normalmente associate a queste misurazioni. Scoprirete come i sensori di corrente a effetto Hall con deriva zero offrono molti vantaggi rispetto a implementazioni con sensori magnetici a effetto Hall in-package isolati a circuito chiuso basati su shunt, tra cui una maggiore efficienza energetica e tensione di funzionamento e prestazioni migliori.

1 Migliorare l’efficienza energetica dei sistemi attuali

L’aumento del numero e dei livelli di potenza dei sistemi ad alta tensione è accompagnato da una crescita proporzionale del consumo di energia delle apparecchiature collegate o caricate dalla rete elettrica. Le attuali normative, i costi energetici e limitazioni tecniche come la densità di potenza obbligano questi sistemi a diventare più efficienti e a utilizzare l’energia in modo più intelligente. Le apparecchiature di automazione industriale, i pacchi di batterie elettriche nelle automobili e persino gli elettrodomestici sprecano parecchia energia durante la conversione di potenza dalla rete CA ai carichi o agli elementi di accumulo dell’energia in CC. Considerando la portata dei moderni sistemi di alimentazione, anche piccoli miglioramenti nei sistemi di erogazione elettrica possono avere un effetto significativo. Ad esempio, i server e i data center consumano fino al 23% dell’intero fabbisogno di energia elettrica negli Stati Uniti, tuttavia gli studi mostrano un’efficienza complessiva pari a circa il 65%. Migliorare l’efficienza di questi sistemi anche solo dello 0,5%, mediante una conversione della potenza più efficiente e un monitoraggio più intelligente del carico, consentirebbe di risparmiare fino a 850 milioni di kWh, equivalenti al consumo di energia di quasi 80.000 nuclei familiari all’anno, come mostra la Figura 1-1.

 

I sistemi di alimentazione come i gruppi di continuità (UPS) o i convertitori CA/CC industriali utilizzano topologie di convertitori di commutazione per ottimizzare l’efficienza di conversione dell’energia dalla rete CA. Per questi sistemi sono necessarie misurazioni della corrente isolata sia a scopo diagnostico che per i circuiti di controllo dei convertitori, come i circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC). La Figura 1-2 mostra una topologia PFC che richiede una misurazione di corrente isolata direttamente sulla corrente di ingresso CA. Poiché la misurazione della corrente controlla il convertitore di commutazione, la sua accuratezza e stabilità per l’intera durata utile può avere un impatto significativo sull’efficienza complessiva e sul fattore di potenza del convertitore.

 

 

 

Le misurazioni della corrente isolata hanno sempre avuto un rapporto qualità/prezzo particolarmente svantaggioso, che per i produttori di apparecchiature si traduce in un costo molto maggiore delle misurazioni di alta precisione. I sensori di corrente a effetto Hall offrono il metodo d’implementazione più semplice, senza componenti esterni e con una struttura di costo ottimizzata, ma in genere non sono in grado di fornire misurazioni a bassa deriva sulla temperatura. I dispositivi magnetici isolati a circuito chiuso e basati su shunt possono fornire un maggiore livello di accuratezza, ma richiedono più spazio sul circuito stampato e componenti esterni, e sono anche più costosi. I sensori TMCS1100 e TMCS1101 di Texas Instruments (TI) combinano la facilità d’uso e il basso costo di soluzione di un sensore di corrente a effetto Hall con un’architettura della catena di segnale di precisione a deriva zero per consentire misurazioni con errore totale < 1% e una migliore qualità di isolamento. Queste innovazioni migliorano i tipici aspetti negativi dei sensori di corrente a effetto Hall, mantenendone inalterate le principali caratteristiche positive. La Tabella 1-1 mostra i punti di forza e i punti deboli di varie tecnologie di rilevamento della corrente isolata.

 

 

Il progetto di riferimento PFC bridgeless totem-pole e half-bridge LLC, GaN CCM 80 Plus Titanium da 1 kW evidenzia i benefici di un sensore ad alta precisione come il TMCS1100, che consente una progettazione con fattore di forma ridotto che raggiunge un fattore di potenza pari a 0,98 con un’efficienza superiore al 99%. La stabilità termica del TMCS1100 con deriva di sensibilità e offset contribuisce a ridurre la distorsione armonica totale fino al 5%. L’isolamento galvanico del TMCS1100 scollega il sistema dalla rete CA e semplifica le misurazioni sulle linee a corrente alternata senza bisogno di componenti aggiuntivi, fornendo una deriva di misurazione < 0,5%. Ciò garantisce una maggiore efficienza in svariate condizioni ambientali e di carico in sistemi compatti ad alta potenza, come gli alimentatori per server o di rete. Poiché la catena dell’infrastruttura di rete si basa su più UPS, condizionatori e fasi di conversione della potenza, i miglioramenti in termini di prestazioni e struttura dei costi aumentano ad ogni fase della catena.

 

2 Favorire una maggiore elettrificazione

L’elettrificazione consente di migliorare le prestazioni, l’affidabilità e il costo di vita totale, ma questi sistemi richiedono l’isolamento dai loro domini CA o CC ad alta tensione in fattori di forma sempre più densi. Molte soluzioni di rilevamento della corrente isolata esistenti occupano parecchio spazio nei progetti su circuito stampato ad alta tensione a causa di componenti esterni, alloggiamenti o elementi aggiuntivi. I sensori di corrente a effetto Hall offrono una soluzione monolitica a chip singolo che integra gli elementi di isolamento e di rilevamento in package a montaggio superficiale, come i SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) a 8 pin con uno spazio di 5 mm x 6 mm su circuito stampato. Tuttavia, la maggior parte dei sensori in package SOIC a 8 pin fornisce solo 400 V circa di tensione di isolamento per la durata utile, limitando così l’usabilità di questi dispositivi a sistemi che operano al di sotto di questo livello. Ad esempio, molti sistemi di batterie ad alta potenza dispongono di bus CC con tensione nominale di 400 V e possono ampiamente superare questo livello con transitori di carico e di commutazione. I sistemi industriali che operano a partire da 240 VCA e convertono l’alimentazione in un livello di tensione raddrizzata di 340 VCC includono spesso una fase di boost, come mostra la Figura 2-1, che può raggiungere livelli di tensione di 400 VCC – 600 VCC. Molti inverter di stringa solari utilizzano bus per celle fotovoltaiche e MPPT (Maximum Power-Point Tracker) nell’intervallo compreso fra 480 V e 600 V, e non sono quindi compatibili con gran parte dei sensori di corrente a effetto Hall su SOIC a 8 pin disponibili.

 

 

Per garantire un margine di isolamento a vita sufficiente, i dispositivi TMCS1100 e TMCS1101 forniscono una tensione di lavoro di 600 V in un fattore di forma SOIC a 8 pin, con un margine di vita superiore rispetto a quanto richiesto da standard di settore come Verband der Elektrotechnik 0884-11 e Underwriters Laboratories 1577. Questa tensione di lavoro offre un margine di isolamento sufficiente per i produttori di apparecchiature senza dover passare a una soluzione di dimensioni maggiori. La durata di vita prevista di un dispositivo può essere estrapolata mediante un test di qualifica noto come rottura dielettrica dipendente dal tempo (TDDB), che misura la durata di vita prevista di un dispositivo rispetto alla sollecitazione di tensione del dispositivo. La Figura 2-2 mostra la curva TDDB della famiglia TMCS1100. Il campo di durata operativa supera ampiamente gli standard di settore per una durata di 26 anni, con un margine di sicurezza della tensione del 20%.

 

La durata di vita utile di questi dispositivi, abbinata a un isolamento base di 3 kVRMS per 60 secondi, li rende la scelta ideale per sistemi connessi alla rete o ad alta energia caratterizzati da transitori ad alta tensione. Molti sistemi di alimentazione elettrica, controllo dei motori e infrastrutture di rete richiedono ingombri ridotti e un’elevata densità di energia, che sono resi possibili dal fattore di forma ottimizzato e dalla capacità di isolamento del TMCS1100.

 

3 Aumentare le prestazioni dei sistemi di alimentazione chiave

I sistemi di alimentazione elettronici si basano su un feedback accurato delle caratteristiche operative per creare cicli di controllo precisi con cui ottimizzare le prestazioni. Come illustrato nella Figura 3-1, molti algoritmi di controllo dei motori si affidano al rilevamento della corrente in ogni fase del motore per controllare la coppia e la velocità e per posizionare il rotore con precisione. Questo feedback di corrente deve essere isolato dal bus ad alta tensione, resistere alle oscillazioni di tensione a cui è soggetto il sensore di corrente e mantenere un elevato grado di corrispondenza tra ogni fase. La bassa deriva di temperatura riduce gli errori tra fase e fase di un sistema di carico e consente il funzionamento con una risposta dinamica superiore e un controllo ottimizzato della coppia o della velocità, riducendo comportamenti come l’ondulazione della coppia.

 

Riuscire a garantire la stabilità del feedback di corrente in un’ampia gamma di condizioni operative, di carico e ambientali è una sfida significativa per i progettisti. L’elevata deriva termica associata alle soluzioni magnetiche esistenti significa che i progettisti di sistemi dispongono di prestazioni limitate del circuito di controllo o devono compensarle con soluzioni più complesse o con una calibrazione multipunto a livello di sistema. Oltre ad essere una soluzione costosa, la calibrazione multipunto non può impedire un degrado delle prestazioni per l’intera durata utile del sistema. Con una deriva di temperatura della sensibilità < 0,3% e una bassa deriva di offset < 10 mA su un intervallo di temperature da -40°C a 125°C, la famiglia di sensori TMCS1100 garantisce ottime prestazioni in diverse condizioni ambientali. La combinazione di un offset limitato e una linearità tipica dello 0,05% consente di eseguire misurazioni di corrente ad alta precisione su un ampio carico dinamico. La Figura 3-2 mostra come queste specifiche prestazionali consentano di ottenere una precisione a fondo scala migliore dello 0,5%, un livello che in precedenza non era ottenibile in un fattore di forma semplice e di facile utilizzo.

 

Le tecniche di compensazione dei dispositivi già utilizzate per stabilizzare le prestazioni in base alla temperatura forniscono una deriva sulla durata utile tre volte più bassa rispetto alla maggior parte delle soluzioni della concorrenza. Le qualifiche per l’intera vita operativa mostrano una deriva della sensibilità tipica inferiore allo 0,5%. Questa combinazione di elevato range dinamico, bassa deriva termica e stabilità a vita consente una precisione di misurazione dei sensori di corrente a effetto Hall che in precedenza era irraggiungibile, migliorando le prestazioni di sistema indipendentemente dal periodo dell’anno o dalle condizioni ambientali, oltre che per l’intera durata utile del sistema.

 

4 Semplificare la diagnostica ad alta tensione e il monitoraggio dei sistemi

Il massiccio aumento di sistemi di calcolo e fabbriche intelligenti richiede strumenti di monitoraggio e diagnosi migliori per comprendere più a fondo il consumo di energia, i livelli di prestazioni del sistema, l’integrità delle apparecchiature e lo stato operativo. Ampliando il numero e le prestazioni dei nodi di sensori di corrente distribuiti è possibile realizzare una rete di sensori altamente connessi per l’automazione, come illustrato nella Figura 4-1.

 

Il numero o la qualità dei sensori di corrente isolati che i progettisti possono utilizzare in modo efficace sono limitati da difficili compromessi in termini di precisione, costo e fattore di forma. I sensori di corrente a bassa precisione riducono l’efficacia dell’automazione delle apparecchiature, mentre i sistemi più costosi limitano il numero possibile di nodi. La famiglia TMCS1100 migliora i potenziali compromessi, offrendo un approccio più semplice che facilita la misurazione della corrente isolata e riduce l’ingombro su circuito stampato per i sistemi con limiti di spazio. Analogamente ai moderni computer, che modificano le condizioni operative dei processori in modo adattivo a seconda dei requisiti di carico e velocità dei dati, è possibile applicare lo stesso tipo di ottimizzazione a intere reti di produzione o di comunicazione. Il monitoraggio di singole apparecchiature in una grande rete consente di bilanciare il carico o di limitare o disattivare sistemi specifici a seconda delle misurazioni del consumo energetico. La sfida principale di un tale schema di ottimizzazione è la capacità di misurare in modo accurato il consumo di energia o il carico in un’ampia gamma di condizioni. La deriva a basso offset dei sensori TMCS1100 e TMCS1101 consente misurazioni dell’energia ad alta precisione in un’ampia gamma dinamica, come mostra la Figura 4-2, dove è stata raggiunta una precisione di misurazione della potenza attiva < 0,5% in condizioni di carico da < 0,1 A a 20 A.

 

A livello di singole apparecchiature, le informazioni ottenute dalla misurazione della corrente permettono di ottimizzare le prestazioni degli strumenti e di raccogliere dati diagnostici per rilevare lo stato di salute degli strumenti e prevedere i guasti. Un sensore più accurato, con una minore deriva di misurazione sulla durata utile e una maggiore stabilità alla temperatura, consente di rilevare variazioni di prestazioni a livelli ancora più bassi, mentre invece un’incertezza del sensore può limitare la capacità di rilevamento. La stessa tecnica può essere utilizzata anche per misurazioni di corrente ridondanti nei sistemi in cui la sicurezza e l’affidabilità dell’elettronica ad alta potenza sono un requisito fondamentale.

 

5 Conclusioni

I sensori a effetto Hall isolati e integrati nel package hanno sempre svolto un ruolo importante nei sistemi ad alta tensione, ma i notevoli compromessi in termini di accuratezza, deriva e isolamento dei sensori hanno limitato le loro prestazioni. Combinando tensioni di lavoro a 600 V per la durata utile a una bassa deriva di sensibilità e di offset, i dispositivi TMCS1100 e TMCS1101 forniscono prestazioni notevolmente superiori e un’implementazione semplificata. Grazie a questi sviluppi, la famiglia di sensori di corrente a effetto Hall TMCS1100 può migliorare in modo significativo le prestazioni di sistemi ad alta tensione per motori, controllo dei processi, reti di sensori distribuite e convertitori di potenza.

 

6 Bibliografia

• Texas Instruments, Progetto di riferimento PFC bridgeless totem-pole e half-bridge LLC, GaN CCM 80 Plus Titanium da 1 kW
• Texas Instruments, Progetto di riferimento per il rilevamento della corrente in azionamenti motore a 230 V CA mediante sensori di corrente a effetto Hall
• Texas Instruments, Come utilizzare i sensori di corrente a effetto Hall in raddrizzatori per telecomunicazioni e PSU per server
• Texas Instruments, Come i sensori di corrente aiutano a monitorare e proteggere l’infrastruttura wireless mondiale
• Texas Instruments, Rapporto tecnico – Progetti di rilevamento di precisione della corrente con sensori di corrente magnetici non raziometrici
• Texas Instruments, Rapporto tecnico – Misurazioni magnetiche di precisione a bassa deriva della corrente in linea isolata dei motori