Требования к высокой частоте и минимальные размеры означают, что преобразователи мощности должны включать в себя более компактные пассивные компоненты, чтобы обеспечить преимущества с точки зрения уменьшения размеров и веса. Тенденция к отказу от чистого кремния и переходу к высокочастотным МОП-транзисторам на основе карбида кремния (SiC) в высоковольтных импульсных силовых цепях привела к сокращению требуемого пространства и затрат, одновременно повышая эффективность и улучшая производительность.
Благодаря более высокой скорости переключения, устройства на основе SiC могут работать на частотах с полосой пропускания значительно выше 100 кГц. Это открыло возможности для их использования в таких приложениях, как источники бесперебойного питания (ИБП), солнечные инверторы, преобразователи частоты переменного тока и серводвигатели, коррекция коэффициента мощности и сварочные аппараты с компьютерным управлением.
Однако всегда существовал компромисс между производительностью и временем отклика, и пользователи в различных секторах рынка стремились найти решение, которое могло бы удовлетворить их все более высокие требования. Хотя классические преобразователи в разомкнутом и замкнутом контуре обеспечивают отклик до 300 кГц, на современном рынке они все еще недостаточны для удовлетворения потребностей в обнаружении в широком диапазоне частот из-за использования SiC IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором).

Полоса пропускания, превышающая 1 МГц:
Клиент из сварочной отрасли обратился в компанию LEM, лидера рынка инновационных высококачественных решений для измерения электрических параметров, поскольку время отклика и частотные характеристики его существующих преобразователей мощности были неудовлетворительными. В ответ LEM разработала гибридный преобразователь, который значительно превзошел по производительности показатели любой другой компании на рынке.
Это гибридное устройство представляет собой комбинацию специализированной интегральной схемы (ASIC) и преобразователя постоянного тока с чисто индуктивной катушкой для ускорения сигнала. Благодаря приемной катушке, интегрированной в ASIC LEM, преобразователь способен работать как трансформатор тока. Хотя существующие преобразователи переменного тока на основе чистой катушки могут достигать более высоких показателей, ни один преобразователь постоянного тока, использующий технологию разомкнутой цепи и приемную катушку, не мог работать с полосой пропускания, превышающей 1 МГц — до настоящего времени.
Решение компании LEM – семейство HOB, состоящее примерно из 20 маломощных многодиапазонных датчиков тока, способных измерять переменный, постоянный или импульсный ток до 250 А, – было разработано для удовлетворения требований к высокоскоростному обнаружению при использовании быстродействующих SiC MOSFET в высоковольтных импульсных силовых цепях, где критически важны быстрые и гибкие высоковольтные импульсы. Заказчик специально искал высокопроизводительное решение, обеспечивающее быстрое время отклика и увеличенную полосу пропускания, при этом занимая меньшую площадь.

Совершенно иная полупроводниковая технология:
Хотя датчики с замкнутым контуром обычно являются дорогостоящим вариантом для любой отрасли, стремящейся к достижению этих целей, компания LEM ожидает, что ее гибридный преобразователь вскоре станет привлекательным для различных рынков, желающих внедрить любой тип импульсных преобразователей на основе силовых модулей из SiC и GaN (нитрида галлия) с широкой полосой пропускания. Растущая тенденция к использованию импульсных преобразователей обусловлена ​​необходимостью в устройствах и оборудовании, которые как можно меньше по размеру и имеют лучшее соотношение мощности к весу.
Благодаря тому, что LEM называет «совершенно иной полупроводниковой технологией», высокоскоростные транзисторы SiC или GaN не только гарантируют более быстрое время переключения, но и могут работать на более высоких частотах и ​​выдерживать более высокие напряжения. Компания ожидает, что эта транзисторная технология станет нормой всего через пять лет.
Однако в семействе HOB гораздо важнее, чем полоса пропускания, является время отклика — время между первичным током и выходным сигналом преобразователя. Этот фактор стал ключевым для заказчика LEM, который осознал, что транзисторы, переключающиеся с постоянно возрастающей скоростью, должны иметь датчик тока, способный как можно точнее отслеживать di/dt (скорость изменения тока).

Время отклика начинается от 100 нс.
Традиционно, хотя di/dt могло достигать 500 А в микросекунду (возможно, даже 1 кА/мкс) с использованием этой технологии, время отклика в других преобразователях составляло около 1,5 микросекунд. Компания LEM поставила перед собой цель обеспечить своим клиентам время отклика до 200 наносекунд. И они не только достигли этой цели, но и улучшили ее с помощью нового семейства HOB и его приемной катушки, которая обеспечивает время отклика 150 нс (в 10 раз быстрее, чем у любого другого устройства на рынке). В некоторых случаях время отклика составляло всего 100 нс.
Модели семейства HOB обеспечивают номинальные токи 50 А, 75 А, 100 А и 130 А, а пиковые токи мощности (Ipm) в 2,5 раза превышают эти показатели. Специальные (SP) модели в линейке разработаны с учетом конкретных требований пользователей, но все они имеют частоту среза (на уровне -3 дБ) выше 1 МГц. Стандартное семейство преобразователей HOB использует источник питания 5 В (с опорным напряжением 2,5 В), в то время как другие модели имеют источники питания 3,3 В, 3,4 В и 3,5 В. Все модели могут работать при температурах от -40°C до +105°C.
Другие особенности, отличающие датчик HOB от конкурентов, включают гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями, встроенную шину и инновационную, компактную конструкцию, реализованную путем монтажа в отверстия (THT) на печатной плате.

Будущее гибридных технологий:
Гибридный преобразователь, занимающий ту же площадь, что и ранее доступные преобразователи, основан на технологии, которую компания LEM успешно поставляла в автомобильную промышленность. Однако благодаря своим меньшим размерам и превосходным характеристикам, LEM ожидает, что эта технология получит распространение в других областях по мере снижения стоимости производства транзисторов, повышения уровня автоматизации и увеличения объемов производства.
Будущее этой новой гибридной технологии, как ожидается, будет обеспечено по мере роста рынка приложений, требующих очень низкой стоимости, превосходных характеристик и высокого времени отклика. Среди чрезвычайно требовательных приложений, идеально подходящих для нового устройства LEM, — портативные плазменные резаки, сварочные аппараты и преобразователи постоянного тока, а также упомянутый выше рынок ИБП, импульсные источники питания, преобразователи частоты для двигателей переменного и сервоприводов и статические преобразователи для приводов двигателей постоянного тока.
LEM уже получает запросы от клиентов на преобразователь для монтажа на печатную плату с номинальным током 300 А, 600 А и выше. Хотя точно предсказать скорость изменения спроса сложно, компания LEM имеет все возможности для поставки многодиапазонного датчика тока с разомкнутым контуром на широкий спектр рынков. Этот датчик отличается беспрецедентным временем отклика и полосой частот, а также надежностью, низким энергопотреблением, низким уровнем шума и улучшенной устойчивостью к dv/dt (ускорению), которым могут подвергаться силовые модули SiC.
 
LEM – Жизнь, энергия, движение.
LEM, ведущая компания в области электроизмерительных приборов, разрабатывает лучшие в своем классе решения для энергетики и мобильности, чтобы обеспечить оптимизацию, надежность и безопасность систем наших клиентов. Наша команда из 1500 человек в более чем 15 странах преобразует технологический потенциал в мощные решения. LEM развивает и привлекает лучших в мире специалистов, работающих на переднем крае таких основных тенденций, как возобновляемая энергия, мобильность, автоматизация и цифровизация.
Благодаря своим инновационным электротехническим решениям LEM помогает своим клиентам и обществу ускорить переход к устойчивому будущему. Акции LEM котируются на Швейцарской фондовой бирже (SIX Swiss Exchange) с 1986 года под символом LEHN.
www.lem.com