Die Anforderungen an hohe Frequenzen und kleinstmögliche Baugrößen erfordern kleinere passive Bauelemente in Leistungswandlern, um Vorteile hinsichtlich Größe und Gewicht zu erzielen. Der Trend weg von reinem Silizium hin zu hochfrequenten Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs) in Hochspannungs-Impulsleistungsschaltungen hat den Platzbedarf und die Kosten reduziert und gleichzeitig die Effizienz und Leistung verbessert.
Dank ihrer höheren Schaltgeschwindigkeiten können SiC-basierte Bauelemente mit Bandbreiten deutlich über 100 kHz betrieben werden. Dies eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten in Anwendungen wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Solarwechselrichtern, AC-Frequenzumrichtern und Servomotoren, Leistungsfaktorkorrektur und computergesteuerten Schweißmaschinen.
Allerdings besteht seit jeher ein Zielkonflikt zwischen Leistung und Reaktionszeit, und Anwender in verschiedenen Marktsegmenten suchen nach Lösungen, die ihren stetig steigenden Anforderungen gerecht werden. Obwohl klassische Wandler in offener und geschlossener Ausführung Frequenzgänge bis zu 300 kHz erreichen, sind sie auf dem heutigen Markt aufgrund der Verwendung von SiC-IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) für die Anforderungen an die Detektion mit hoher Bandbreite noch nicht ausreichend.

Bandbreite über 1 MHz:
Ein Kunde aus der Schweißindustrie wandte sich an LEM, den Marktführer für innovative und hochwertige Lösungen zur Messung elektrischer Parameter, da die Ansprechzeiten und Frequenzgänge seiner bestehenden Leistungswandler unzureichend waren. Daraufhin entwickelte LEM einen Hybridwandler, der die Leistung aller anderen Anbieter auf dem Markt deutlich übertrifft.
Dieses Hybridgerät kombiniert einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) mit einem DC-basierten Wandler und einer reinen Induktionsspule zur Signalbeschleunigung. Dank der in den ASIC von LEM integrierten Aufnahmespule kann der Wandler wie ein Stromwandler reagieren. Zwar erreichen bestehende AC-Wandler mit reiner Spule höhere Bandbreiten, doch bisher konnte kein DC-Wandler mit Open-Loop-Technologie und Aufnahmespule Bandbreiten über 1 MHz erreichen.
Die Lösung von LEM – die HOB-Familie, bestehend aus ca. 20 energiesparenden Mehrbereichsstromsensoren zur Messung von Wechsel-, Gleich- und Impulsströmen bis zu 250 A – wurde für die Anforderungen an hohe Bandbreitenerkennung beim Einsatz schnellschaltender SiC-MOSFETs in Hochspannungs-Impulsstromkreisen entwickelt, in denen schnelle und flexible Hochspannungsimpulse entscheidend sind. Der Kunde wünschte sich eine leistungsstarke Lösung mit kurzen Ansprechzeiten, erhöhter Bandbreite und kompakter Bauweise.

Eine völlig neue Halbleitertechnologie:
Während geschlossene Regelkreissensoren bisher für Branchen, die diese Ziele erreichen wollten, eine kostspielige Option darstellten, erwartet LEM, dass sein Hybridwandler schon bald für verschiedene Märkte attraktiv sein wird, die Schaltwandler auf Basis von SiC- und GaN-Leistungsmodulen (Galliumnitrid) mit großer Bandbreite einsetzen möchten. Der wachsende Trend zu Schaltwandlern wird durch den Bedarf an möglichst kleinen Geräten und Anlagen mit einem besseren Leistungsgewicht angetrieben.
Dank einer von LEM als „völlig neue Halbleitertechnologie“ bezeichneten Technologie garantieren die extrem schnellen SiC- oder GaN-Transistoren nicht nur kürzere Schaltzeiten, sondern können auch bei höheren Frequenzen arbeiten und höheren Spannungen standhalten. Das Unternehmen geht davon aus, dass diese Transistortechnologie in nur fünf Jahren Standard sein wird.
Bei HOB-Wandlern ist jedoch die Ansprechzeit – die Zeit zwischen dem Primärstrom und dem Ausgangssignal des Wandlers – weitaus wichtiger als die Bandbreite. Dieser Faktor war für den Kunden von LEM von entscheidender Bedeutung, da er erkannte, dass Transistoren, die mit immer höheren Geschwindigkeiten schalten, einen Stromwandler benötigen, der in der Lage ist, di/dt (die Änderungsrate des Stroms) so genau wie möglich zu erfassen.

Ansprechzeiten ab 100 ns.
Herkömmlicherweise erreichte die Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) mit dieser Technologie bis zu 500 A pro Mikrosekunde (möglicherweise sogar 1 kA/µs), während die Ansprechzeit anderer Wandler bei etwa 1,5 Mikrosekunden lag. LEM verpflichtete sich, seinen Kunden eine Ansprechzeit von bis zu 200 Nanosekunden zu bieten. Dieses Ziel wurde nicht nur erreicht, sondern mit der neuen HOB-Familie und ihrer Aufnahmespule sogar übertroffen. Diese bietet eine Ansprechzeit von 150 ns (zehnmal schneller als alle anderen Produkte auf dem Markt). In einigen Fällen lag die Ansprechzeit sogar bei nur 100 ns.
Die Modelle der HOB-Familie bieten Nennströme von 50 A, 75 A, 100 A und 130 A, während die Ströme für die Spitzenleistung (Ipm) das 2,5-Fache dieser Werte betragen. Die Sondermodelle (SP) der Produktreihe sind kundenspezifisch gefertigt und erfüllen die jeweiligen Anforderungen der Anwender. Alle Modelle verfügen über eine Grenzfrequenz (bei -3 dB) über 1 MHz. Die Standard-HOB-Wandlerfamilie benötigt eine 5-V-Stromversorgung (mit einer Referenzspannung von 2,5 V), während andere Modelle mit 3,3 V, 3,4 V bzw. 3,5 V betrieben werden. Alle Modelle sind für einen Temperaturbereich von -40 °C bis +105 °C geeignet.
Zu den weiteren Merkmalen, die den HOB-Sensor von Konkurrenzprodukten abheben, gehören die galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis, eine integrierte Sammelschiene sowie ein innovatives, platzsparendes Design mit Durchsteckmontage (THT) auf der Leiterplatte.

Die Zukunft der Hybridtechnologie:
Der Hybridwandler, der die gleiche Größe wie bisherige Wandler aufweist, basiert auf einer Technologie, die LEM bereits erfolgreich in der Automobilindustrie einsetzt. Dank seiner geringeren Größe und überlegenen Leistung erwartet LEM, dass diese Technologie mit sinkenden Transistorherstellungskosten, zunehmender Automatisierung und steigender Produktion auch in anderen Bereichen Anwendung finden wird.
Die Zukunft dieser neuen Hybridtechnologie ist gesichert, da der Markt für Anwendungen mit Anforderungen an niedrige Kosten, hervorragende Leistung und schnelle Reaktionszeiten wächst. Zu den anspruchsvollen Anwendungen, die sich ideal für das neue Gerät von LEM eignen, gehören tragbare Plasmaschneider, Schweißgeräte und DC/DC-Wandler sowie der bereits erwähnte USV-Markt, Schaltnetzteile, AC- und Servomotor-Drehzahlregler und statische Umrichter für DC-Motorantriebe.
LEM erhält bereits Kundenanfragen für einen Leiterplatten-Wandler mit Nennströmen von 300 A, 600 A und mehr. Auch wenn sich die genaue Nachfrageentwicklung nur schwer vorhersagen lässt, ist LEM gut aufgestellt, um einen offenen Mehrbereichsstromsensor für eine Vielzahl von Märkten anzubieten. Dieser Sensor zeichnet sich durch beispiellose Reaktionszeiten und Frequenzbandbreite sowie Zuverlässigkeit, geringen Stromverbrauch, niedriges Rauschen und verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber dv/dt-Spannungsänderungen (Beschleunigungen) aus, denen SiC-Leistungsmodule ausgesetzt sein können.
 
LEM – Life Energy Motion.
LEM, ein führendes Unternehmen im Bereich der elektrischen Messtechnik, entwickelt erstklassige Energie- und Mobilitätslösungen, um die Systeme seiner Kunden zu optimieren, ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Unser Team von 1.500 Mitarbeitern in über 15 Ländern setzt technologisches Potenzial in leistungsstarke Lösungen um. LEM fördert und beschäftigt die weltweit besten Talente, die an der Spitze wichtiger Trends wie erneuerbare Energien, Mobilität, Automatisierung und Digitalisierung arbeiten.
Dank seiner innovativen elektrischen Lösungen unterstützt LEM seine Kunden und die Gesellschaft dabei, den Übergang in eine nachhaltige Zukunft zu beschleunigen. LEM ist seit 1986 an der Schweizer Börse (SIX Swiss Exchange) unter dem Symbol LEHN kotiert.
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