Circuit intégré de capteur de courant linéaire à effet Hall pour onduleurs

La commutation de puissance à haute fréquence et les charges thermiques élevées dans les groupes motopropulseurs électriques exigent une détection de courant rapide et isolée galvaniquement, avec une dérive de signal minimale sur des plages de températures de fonctionnement extrêmes. TDK Corporation (TSE : 6762) répond à cette exigence avec le Micronas CUR 3020, un circuit intégré (CI) de capteur de courant linéaire à effet Hall programmable par le client, conçu pour les concentrateurs magnétiques à noyau en C dans les onduleurs de traction des véhicules électrifiés (xEV), les systèmes de gestion de batterie et les modules industriels de conversion de puissance.

Défis d'ingénierie dans la mesure de courant de forte puissance
Les architectures modernes de conversion de puissance dans les véhicules électriques et les entraînements de moteurs industriels reposent sur des semi-conducteurs de puissance à commutation rapide qui génèrent des transitoires de courant rapides et une chaleur importante. La surveillance des courants de phase et de batterie dans ces systèmes nécessite une détection non intrusive et isolée galvaniquement, capable de suivre les variations rapides de courant sans introduire de pertes d'insertion.

Dans les topologies de détection de courant à noyau en C, un noyau ferromagnétique doté d'un entrefer étroit entoure le conducteur de courant primaire, tel qu'une barre omnibus ou un câble de puissance. Le noyau en C concentre le flux magnétique généré par le courant sur le CI de capteur à effet Hall positionné à l'intérieur de l'entrefer, tout en protégeant l'élément sensible contre les champs magnétiques parasites externes. Cependant, les tolérances dimensionnelles de l'entrefer, l'hystérésis du noyau magnétique et les cycles thermiques sévères entre -40 °C et 150 °C introduisent des erreurs de décalage (offset) et de sensibilité susceptibles de dégrader le contrôle du couple de l'onduleur et l'estimation de l'état de charge de la batterie.

Principe de fonctionnement et architecture programmable du capteur
Le Micronas CUR 3020 est un CI de capteur de courant linéaire à effet Hall monolithique qui délivre une tension analogique proportionnelle à la densité de flux magnétique appliquée à son élément à effet Hall intégré à haute sensibilité. Pour prendre en charge la mesure de courant bidirectionnelle dans les branches de phase en courant alternatif (CA) et les circuits de charge et de décharge de batterie, la tension de sortie au repos (QVO) — la tension de sortie sous un champ magnétique nul — est centrée à 2,5 V et reste réglable par l'utilisateur.

Afin de s'adapter à diverses géométries de barres omnibus, aux gains magnétiques des noyaux en C et aux courants nominaux maximaux, le CI prend en charge une plage de sensibilité programmable allant de 4,2 mV/mT à 67,4 mV/mT. Les ingénieurs peuvent étalonner à la fois la sensibilité et la QVO à l'aide d'une mémoire EEPROM intégrée via trois méthodes de programmation distinctes détaillées dans le guide de programmation du CUR 3020. Cette programmabilité en fin de ligne permet aux fabricants de modules de compenser les tolérances d'assemblage mécanique dans l'entrefer du noyau en C après l'intégration physique.

Pour les boucles de régulation rapides et une protection véloce contre les surintensités, le capteur dispose d'une bande passante de signal sélectionnable par l'utilisateur de 250 kHz ou 500 kHz. Le fonctionnement à 500 kHz permet au système de commande de détecter les transitoires de commutation à grande vitesse et les événements de court-circuit avant que des dommages thermiques ne surviennent dans l'étage de puissance.

Performances de dérive thermique et protections de diagnostic
La stabilité thermique sur l'ensemble de l'enveloppe de fonctionnement automobile est essentielle pour maintenir la précision de mesure sans recourir à des algorithmes complexes de compensation externe. Le CUR 3020 est pré-optimisé en usine en fonction de la température, limitant l'erreur maximale de dérive de sensibilité à 1 % et l'erreur maximale de dérive de décalage à 5 mV sur toute la plage de températures ambiantes de -40 °C à 150 °C. Le composant est qualifié selon les normes AEC-Q100 Grade 0 et supporte une température ambiante de fonctionnement à chaud (TA) étendue jusqu'à 165 °C pendant de courtes durées, répondant ainsi aux pics thermiques rencontrés à l'intérieur des boîtiers compacts des onduleurs de traction xEV.

Pour prendre en charge la détection des défauts au niveau du système dans les environnements automobiles et industriels, le CI intègre de multiples mécanismes de diagnostic et de protection. Ceux-ci incluent la détection de circuit ouvert par rupture de fil aussi bien sur la broche de masse que sur la broche de tension d'alimentation (VSUP) afin d'éviter les lectures de courant erronées lors de défaillances du faisceau de câbles ou des joints de soudure, ainsi qu'une protection contre les sous-tensions, les surtensions et les inversions de polarité sur la ligne d'alimentation. De plus, les ingénieurs peuvent activer ou désactiver des écrêteurs de tension de sortie supérieur et inférieur sélectionnables séparément pour définir des bandes de défauts de diagnostic claires en dehors de la plage normale du signal linéaire, tandis que des diagnostics de surchauffe programmables alertent le microcontrôleur hôte en cas de contrainte thermique excessive.

Intégration dans les flux de travail industriels et automobiles
Logé dans un boîtier traversant TO-92 (UM) à 4 broches, le CUR 3020 est conçu pour être inséré dans l'entrefer étroit des noyaux ferromagnétiques fendus. Ses principales applications comprennent les onduleurs de traction xEV, les systèmes de propulsion à deux et trois roues, les onduleurs auxiliaires, les systèmes de gestion et de déconnexion de batterie, ainsi que les modules de capteurs de courant (CSM) industriels dans lesquels le CI est intégré avec un concentrateur, un blindage et un boîtier.

Les tranches de silicium (wafers) du capteur sont fabriquées dans l'usine de fabrication de semi-conducteurs de TDK à Fribourg, en Allemagne, ce qui assure un contrôle vertical de la production et une stabilité d'approvisionnement à long terme pour les équipementiers automobiles et industriels. Des échantillons du CUR 3020 sont disponibles sur demande auprès de TDK.

Contexte supplémentaire :
Cette section détaille les spécifications techniques et l'analyse comparative de la concurrence non incluses dans l'annonce originale du produit.

Selon la documentation technique complémentaire publiée par TDK-Micronas pour le CUR 3020, le capteur à interface analogique atteint un temps de réponse aussi faible que 0,86 microseconde lorsqu'il fonctionne à son réglage de bande passante maximal. Les paramètres supplémentaires de la fiche technique spécifient une erreur typique de dérive de sensibilité de 0,75 % (1 % maximum), une erreur typique de dérive de décalage de 2 mV (5 mV maximum) et une erreur de linéarité maximale de +/-0,2 % (0,05 % typique). Les erreurs ratiométriques sont limitées à un maximum de +/-2,5 mV pour le décalage et de +/-0,25 % pour la sensibilité.

L'extension de la bande passante des capteurs linéaires à effet Hall à 500 kHz s'inscrit dans la transition plus large de l'industrie, passant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) en silicium conventionnels aux semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), plus particulièrement les MOSFET en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN). Tandis que les onduleurs de traction IGBT traditionnels commutent généralement à des fréquences comprises entre 8 kHz et 20 kHz, les onduleurs à base de SiC et les convertisseurs continu-continu (CC-CC) fonctionnent à des fréquences de commutation plus élevées avec des vitesses de balayage de courant plus raides, ce qui nécessite des capteurs de courant dotés de temps de réponse compris entre moins d'une microseconde et deux microsecondes pour maintenir la marge de phase dans la régulation en boucle fermée et déclencher l'arrêt matériel en cas de surintensité en quelques microsecondes.

Au sein du portefeuille interne de capteurs de courant magnétiques de TDK, le CUR 3020 complète le capteur à réseau multi-Hall CUR 4000. Alors que le CUR 4000 est conçu pour les mesures de courant continu (CC) de haute précision et à basse fréquence jusqu'à et au-delà de 2 000 A avec une bande passante de signal de 8 kHz et une lecture SPI 16 bits dans un boîtier SOIC8, le CUR 3020 cible le contrôle à haute vitesse du courant alternatif (CA) et des courants transitoires jusqu'à 500 kHz à l'aide d'une interface analogique dans un boîtier traversant TO-92 à 4 broches.

Sur le marché plus large des semi-conducteurs pour les CI de capteurs de courant linéaires à effet Hall destinés aux noyaux en C, le Micronas CUR 3020 entre directement en concurrence avec des composants de qualité automobile établis tels que les Melexis MLX91217 et MLX91219. En matière de bande passante et de temps de réponse, le CUR 3020 offre un fonctionnement sélectionnable à 250 kHz ou 500 kHz avec un temps de réponse minimal de 0,86 microseconde, tandis que le Melexis MLX91217 fournit une bande passante de 250 kHz avec un temps de réponse de 2 microsecondes et que le MLX91219 atteint 400 kHz avec un temps de réponse de 2 microsecondes. Sur la plage de -40 °C à 150 °C de la norme AEC-Q100 Grade 0, les trois composants spécifient une dérive de sensibilité maximale équivalente de 1 % et une dérive de décalage maximale de 5 mV. Cependant, le CUR 3020 et le MLX91217 atteignent tous deux une erreur de linéarité réduite à +/-0,2 %, contre +/-0,5 % de la pleine échelle pour le MLX91219 à 400 kHz. Concernant le boîtier et la sensibilité, le CUR 3020 prend en charge une plage de 4,2 à 67,4 mV/mT dans un boîtier TO-92 (UM) à 4 broches avec un fonctionnement ambiant à court terme jusqu'à 165 °C, alors que le MLX91217 propose une plage programmable de 5 à 150 mV/mT dans un boîtier SIP-4 VA à 4 broches qualifié pour une température ambiante de 150 °C.

Édité par Sucithra Mani, rédactrice chez Induportals – adapté par l'IA.

www.tdk.com