TLE4972 – zaawansowany czujnik prądu z rodziny XENSIV
| TechnikaW układzie napędowym pojazdu elektrycznego (EV) akumulator trakcyjny dostarcza prąd stały, podczas gdy zasilany z niego silnik trakcyjny wymaga prądu przemiennego. Niezbędna konwersja zasilania na prąd przemienny jest wykonywana przez falownik, co czyni to urządzenie kluczowym komponentem we wszystkich układach napędowych pojazdów elektrycznych.
W większości współczesnych pojazdów elektrycznych "falownik dwukierunkowy" lub "konwerter/inwerter" składa się z przetwornicy z wbudowanym kontrolerem ładowania akumulatora, który odzyskuje energię za pomocą silnika elektrycznego podczas hamowania i zwraca ją do akumulatora trakcyjnego.
Istotną funkcją tego urządzenia jest obwód pomiaru prądu płynącego w trzech fazach wyjściowych falownika. Przekazuje on informację zwrotną do sterownika, która dalej jest wykorzystywana do regulacji momentu obrotowego silnika. Im dokładniejsza informacja o chwilowym natężeniu prądu, tym płynniejsza może być kontrola silnika EV i lepsze zbalansowanie jego momentu obrotowego pod kątem zapewnienia stabilności pojazdu i precyzji kierowania. Prowadzi to do zwiększenia zasięgu, mniejszego hałasu napędu, dłuższej żywotności komponentów mechanicznych, a także większego komfortu i bezpieczeństwa pasażerów. Ponadto, aby zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych, producenci samochodów muszą budować systemy zasilania o jak najmniejszej wadze i gabarytach po to, aby mogły być instalowane w małych przestrzeniach.
Mała obudowa dzięki konstrukcji bez rdzenia magnetycznego
Czujnik prądu TLE4972 z rodziny XENSIV firmy Infineon to kompaktowej wielkości sensor pomiarowy do kontroli natężenia prądu płynącego w zewnętrznym przewodniku (np. zbiorcza szyna zasilająca lub ścieżka na PCB). Daje on możliwość zastąpienia dużych czujników tradycyjnej konstrukcji wykorzystujących rdzeń magnetyczny, które teraz można łatwo zastąpić małej wielkości komponentem SMD. Dostępne są dwa warianty obudów VSON i TDSO, które zajmują jedynie 3,5×4,5 mm i 6×5 mm miejsca na PCB zapewniając projektantom dużą elastyczność aplikacyjną.
Przewężenie w przewodniku z prądem wymagane do realizacji niezbędnego do pracy różnicowego pola magnetycznego (wykrywanego przez TLE4972), jest w tym przypadku bardzo małe, a więc daje małą rezystancję wtrąceniową w obwodzie – zaledwie kilka mikroomów. W porównaniu z czujnikami opartymi na bocznikach rezystancyjnych oznacza to, że straty mocy układu pomiarowego są wyjątkowo małe, co umożliwia ciaśniejsze upakowanie elementów na płytce, wyższą gęstość mocy i łatwiejsze zarządzanie temperaturą.
Podejście platformowe
Z uwagi na koszty producenci samochodów kierują wysiłek projektowy w stronę opracowywania rozwiązań platformowych, tj. takich rozwiązań falowników i innych systemów elektronicznych, które mają charakter uniwersalny i dają się wykorzystać w różnych pojazdach. Dotyczy to także układu falownika zasilającego silnik samochodu elektrycznego. Korzyści to także mniejsza złożoność i mniejsze koszty produkcji wynikające z ekonomii skali. Podejście platformowe usprawnia również serwis, ponieważ technikom łatwiej obsługiwać i zdobywać wiedzę, gdy komponentów jest mniej i są one takie same. Dzięki temu producenci i stacje obsługi mogą ograniczyć zapasy części w magazynie. Aby stworzyć platformę obejmującą wiele różnych modeli pojazdów elektrycznych, zapewniającą wiele opcji konfiguracji, producenci samochodów potrzebują produktów realizujących skalowalne rozwiązania. Takie możliwości zapewnia TLE4972, który dzięki wbudowanej pamięci EEPROM pozwala na programowanie parametrów, w tym czułości i zakresu pomiarowego (patrz tabela).
Układ TLE4972 zapewnia elastyczność aplikacyjną, może mierzyć prąd płynący przez ścieżki płytki drukowanej lub zewnętrznej szyny zasilającej. Montaż do szyny można zrealizować pionowo (prostopadle do kierunku płynącego prądu) i poziomo. Parametry takie jak przekroczenie wartości prądu granicznego (OCD), typ pracy wyjścia i wiele innych jest programowalnych. Szczegóły zawarto w karcie katalogowej.
Najlepsza w klasie dokładność w funkcji temperatury
Jakość działania pętli sprzężenia zwrotnego (dokładność regulacji) obejmującej falownik i silnik zależą m.in. od jakości informacji dostarczanych przez czujniki kąta wirowania i prądu w uzwojeniach. TLE4972 zapewnia najlepszą w swojej klasie dokładność metrologiczną w zakresie temperatur pracy i w całym czasie życia, przy całkowitym dryft cie wynoszącym tylko ±1,4% (3 sigma), w tym błędów wzmocnienia, off setu i liniowości. Początkowe niedokładności pomiaru (współczynnik przetwarzania tj. czułość oraz off set) można skompensować za pomocą kalibracji.
Szerokie pasmo zapewnia stabilność działania pętli
Najnowocześniejsze konstrukcje falowników wykorzystywanych w motoryzacji wymagają użycia wysokiej częstotliwości nośnej dla modulacji prądu w trzech fazach silnika, w zakresie od 1 kHz do 2 kHz. Aby uzyskać w tych warunkach stabilnie działającą pętlę regulacji, przesunięcie fazowe układu pomiarowego nie może przekraczać kilku stopni dla tej częstotliwości. Większe opóźnienie pomiaru może pogorszyć wydajność falownika, a w najgorszym przypadku spowodować niestabilność działania (oscylacje, przerzuty itp.). Co więcej, dla czujnika prądu zwykle wymaga się, aby graniczna częstotliwość pracy wynosiła co najmniej 30–40 kHz, aby utrzymać wystarczająco małe tłumienie sygnału przy częstotliwości nośnej.
Z tych powodów ważne jest użycie czujników prądu o szerokim paśmie pracy, gdyż zapewniają one stabilność pętli regulacji pracy silnika. TLE4972 ma typową szerokość pasma 210 kHz, zapewniając niezbędną wydajność przy pomiarze amplitudy i fazy przebiegów prądu w uzwojeniach silnika.
Wykrywanie przeciążeń
Falowniki w omawianych aplikacjach pracują z wysokimi prądami wyjściowymi sięgającymi 1000 A i napięciami (np. 400 / 800 V). Dlatego w przypadku wykrycia zwarcia lub innej awarii niezwykle istotne jest jak najszybsze doprowadzenie systemu do stany bezpiecznego. Oprócz analogowego sygnału wyjściowego, czujnik TLE4972 ma dwa dedykowane piny wyjściowe z otwartym drenem (OCD1 i OCD2) pozwalające na szybkie wykrywanie przetężeń (< 1 μs). Można je podłączyć do mikrokontrolera i sterownika bramki, aby w przypadku przeciążenia zmniejszyć moc wyjściową lub całkowicie go wyłączyć. Wartości progów aktywacji zabezpieczenia można ustawić na jednej z 64 różnych wartości. To samo dotyczy programowania czasu martwego, którym celowo opóźnia się moment pomiaru prądu po to, aby uniknąć przedwczesnej aktywacji zabezpieczenia na zboczu sygnału PWM na skutek zakłóceń szpilkowych nakładających się na zbocza. W porównaniu z innymi rozwiązaniami pomiarowymi wymagającymi użycia rezystorów bocznikowych i zewnętrznych komparatorów, TLE4972 zapewnia lepszą ochronę.
Pomiar bezkontaktowy zapewnia odpowiednią izolację
W obwodach falowników płyną duże prądy i są wysokie napięcia, stąd wymagana jest odpowiednia izolacja, aby chronić zarówno elektronikę jak i pasażerów pojazdu. TLE4972 wykorzystuje pole magnetyczne powstające wokół przewodnika z prądem i realizuje pomiar bezkontaktowy. Dzięki temu wymagania bezpieczeństwa mogą zostać łatwo spełnione, jeśli tylko projektant zapewni odpowiednie odstępy.
Komutacja sygnałów dużej mocy jest źródłem silnych zakłóceń które wywołują indukowanie się pasożytniczych sygnałów w obwodach pomiarowych. Czujnik TLE4972 wykorzystuje pomiar różnicowy z użyciem dwóch sensorów Halla. Zmierzona wartość pola magnetycznego z prawego sensora jest odejmowana analogowo od sygnału dostarczonego przez lewą sondę. Dzięki temu stałe pole magnetyczne jest tłumione bez konieczności ekranowania. Przesłuchy z sąsiednich linii można skompensować podczas kalibracji czujnika, a montaż czujnika pod kątem do szyny z prądem pozwala dodatkowo ograniczyć wpływ zakłóceń (np. o 45° lub 90°).W zakresie odporności na narażenia mechaniczne i termiczne, TLE4972 jest zgodny z AEC Q-100 i działa w szerokim zakresie temperatur otoczenia (do 125°C dla wersji w PG-TDSO-16 i do 150°C dla PG-VSON-6). Rygorystyczna kontrola jakości produkcji zapewnia wyjątkowo mały wskaźnik defektów przy bardzo małych wartościach czasu awarii (<0,17 fiT).
Czujnik spełnia też wymagania bezpieczeństwa funkcjonalnego ASIL B, który jest wymagany w wielu falownikach zasilających silniki elektryczne. Układ ten jest klasyfikowany jako tzw. dodatkowy element zapewnienia bezpieczeństwa (Safety Element out of Context, SEooC) zgodnie z ISO 26262:2018. Mikrokontroler falownika może wywołać tryb diagnostyczny czujnika w celu sprawdzenia działania analogowego układu pomiarowego i detektora OCP.
Podsumowanie
Czujnik prądu TLE4972 doskonale sprawdza się w układach napędowych silników elektrycznych wykorzystujących falowniki jedno- i trójfazowe w rozwiązaniach motoryzacyjnych i przemysłowych. Dzięki dużej elastyczności, funkcjonalności i najlepszej w swojej klasie skuteczności wykrywania przeciążeń zapewnia bezpieczeństwo i precyzję sterowania.
Infineon
www.infineon.com/xensiv
