CI de sensor de corriente lineal de efecto Hall para inversores

La conmutación de potencia de alta frecuencia y las elevadas cargas térmicas en los trenes motrices eléctricos requieren una detección de corriente rápida y galvánicamente aislada con una deriva de señal mínima en temperaturas de funcionamiento extremas. TDK Corporation (TSE: 6762) aborda este requisito con el Micronas CUR 3020, un circuito integrado (CI) de sensor de corriente lineal de efecto Hall programable por el cliente, diseñado para concentradores magnéticos de núcleo en C en inversores de tracción de vehículos electrificados (xEV), sistemas de gestión de baterías y módulos industriales de conversión de potencia.

Desafíos de ingeniería en la medición de corriente de alta potencia
Las arquitecturas modernas de conversión de potencia en vehículos eléctricos y accionamientos de motores industriales dependen de semiconductores de potencia de conmutación rápida que generan transitorios de corriente veloces y un calor sustancial. La supervisión de las corrientes de fase y de batería en estos sistemas requiere una detección no intrusiva y galvánicamente aislada, capaz de rastrear cambios rápidos de corriente sin introducir pérdidas por inserción.

En las topologías de detección de corriente con núcleo en C, un núcleo ferromagnético con un entrehierro estrecho rodea al conductor de corriente primario, como una barra colectora o un cable de potencia. El núcleo en C concentra el flujo magnético generado por la corriente sobre el CI del sensor Hall posicionado dentro del entrehierro, al tiempo que protege al elemento sensor frente a campos magnéticos parásitos externos. Sin embargo, las tolerancias dimensionales del entrehierro, la histéresis del núcleo magnético y los ciclos térmicos severos entre -40 °C y 150 °C introducen errores de desplazamiento (offset) y de sensibilidad que pueden degradar el control de par del inversor y la estimación del estado de carga de la batería.

Principio de funcionamiento y arquitectura programable del sensor
El Micronas CUR 3020 es un CI de sensor de corriente lineal de efecto Hall monolítico que emite una tensión analógica proporcional a la densidad de flujo magnético aplicada a su elemento Hall integrado de alta sensibilidad. Para admitir la medición de corriente bidireccional en ramas de fase de corriente alterna (CA) y circuitos de carga y descarga de baterías, la tensión de salida en reposo (QVO) —la tensión de salida con campo magnético cero— está centrada en 2,5 V y es ajustable por el usuario.

Para adaptarse a diversas geometrías de barras colectoras, ganancias magnéticas de núcleos en C y valores nominales de corriente máxima, el CI admite un rango de sensibilidad programable de 4,2 mV/mT a 67,4 mV/mT. Los ingenieros pueden calibrar tanto la sensibilidad como la QVO mediante una memoria EEPROM integrada a través de tres métodos de programación distintos detallados en la guía de programación del CUR 3020. Esta capacidad de programación al final de la línea permite a los fabricantes de módulos compensar las tolerancias de ensamblaje mecánico en el entrehierro del núcleo en C después de la integración física.

Para lazos de control rápidos y protección veloz contra sobrecorriente, el sensor cuenta con un ancho de banda de señal seleccionable por el usuario de 250 kHz o 500 kHz. El funcionamiento a 500 kHz permite al sistema de control detectar transitorios de conmutación de alta velocidad y eventos de cortocircuito antes de que se produzcan daños térmicos en la etapa de potencia.

Rendimiento frente a la deriva térmica y protecciones de diagnóstico
La estabilidad térmica en todo el rango operativo automotriz es fundamental para mantener la precisión de la medición sin complejos algoritmos de compensación externa. El CUR 3020 viene preoptimizado de fábrica frente a la temperatura, restringiendo el error máximo de deriva de sensibilidad al 1 % y el error máximo de deriva de desplazamiento a 5 mV en todo el rango de temperatura ambiente de -40 °C a 150 °C. El dispositivo está calificado según las normas AEC-Q100 Grado 0 y admite una temperatura ambiente de funcionamiento en caliente (TA) extendida de hasta 165 °C durante períodos breves, lo que responde a los picos térmicos que se encuentran dentro de las carcasas compactas de los inversores de tracción xEV.

Para respaldar la detección de fallos a nivel de sistema en entornos automotrices e industriales, el CI integra múltiples mecanismos de diagnóstico y protección. Estos incluyen la detección de circuito abierto por cable roto tanto en el pin de tierra como en el pin de tensión de alimentación (VSUP) para evitar lecturas de corriente falsas durante fallos en el mazo de cables o en las uniones soldadas, junto con protección contra subtensión, sobretensión e inversión de polaridad en la línea de alimentación. Además, los ingenieros pueden activar o desactivar limitadores de tensión de salida superior e inferior seleccionables por separado para definir bandas de fallo de diagnóstico claras fuera del rango normal de señal lineal, mientras que los diagnósticos programables de sobretemperatura alertan al microcontrolador principal sobre un estrés térmico excesivo.

Integración en flujos de trabajo industriales y automotrices
Alojado en un encapsulado con terminales TO-92 (UM) de 4 pines, el CUR 3020 está diseñado para su inserción en el estrecho entrehierro de núcleos ferromagnéticos ranurados. Sus aplicaciones principales incluyen inversores de tracción xEV, sistemas de propulsión de vehículos de dos y tres ruedas, inversores auxiliares, sistemas de gestión y desconexión de baterías, y módulos sensores de corriente (CSM) industriales en los que el CI se integra con un concentrador, blindaje y carcasa.

Las obleas del sensor se fabrican en las instalaciones de fabricación de semiconductores de TDK en Friburgo, Alemania, lo que proporciona un control de producción vertical y estabilidad de suministro a largo plazo para los fabricantes de equipos automotrices e industriales. Las muestras del CUR 3020 están disponibles a través de TDK bajo petición.

Contexto adicional:
Esta sección detalla especificaciones técnicas y comparativas competitivas no incluidas en el anuncio original del producto.

Según la documentación técnica adicional publicada por TDK-Micronas para el CUR 3020, el sensor de interfaz analógica alcanza un tiempo de respuesta de tan solo 0,86 microsegundos cuando opera en su configuración de ancho de banda máximo. Los parámetros complementarios de la hoja de datos especifican un error típico de deriva de sensibilidad del 0,75 % (1 % máximo), un error típico de deriva de desplazamiento de 2 mV (5 mV máximo) y un error máximo de linealidad de +/-0,2 % (0,05 % típico). Los errores ratiométricos están limitados a un máximo de +/-2,5 mV para el desplazamiento y +/-0,25 % para la sensibilidad.

La ampliación del ancho de banda de los sensores lineales de efecto Hall a 500 kHz se alinea con la transición general de la industria desde los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de silicio convencionales hacia los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), específicamente los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN). Mientras que los inversores de tracción IGBT tradicionales suelen conmutar a frecuencias de entre 8 kHz y 20 kHz, los inversores basados en SiC y los convertidores de corriente continua a corriente continua (CC-CC) operan a frecuencias de conmutación más altas con velocidades de variación de corriente más pronunciadas, lo que requiere sensores de corriente con tiempos de respuesta de entre menos de un microsegundo y dos microsegundos para mantener el margen de fase en el control de lazo cerrado y activar el apagado por sobrecorriente por hardware en cuestión de pocos microsegundos.

Dentro de la cartera interna de sensores de corriente magnéticos de TDK, el CUR 3020 complementa al sensor de matriz multi-Hall CUR 4000. Mientras que el CUR 4000 está diseñado para mediciones de corriente continua (CC) de alta precisión y baja frecuencia de hasta más de 2.000 A con un ancho de banda de señal de 8 kHz y lectura SPI de 16 bits en un encapsulado SOIC8, el CUR 3020 se enfoca en el control de corriente alterna (CA) de alta velocidad y corrientes transitorias de hasta 500 kHz utilizando una interfaz analógica en un encapsulado de inserción TO-92 de 4 pines.

En el mercado general de semiconductores para CI de sensores de corriente lineales de efecto Hall con núcleo en C, el Micronas CUR 3020 compite directamente con dispositivos consolidados de grado automotriz como los modelos Melexis MLX91217 y MLX91219. En términos de ancho de banda y tiempo de respuesta, el CUR 3020 ofrece un funcionamiento seleccionable de 250 kHz o 500 kHz con un tiempo de respuesta mínimo de 0,86 microsegundos, mientras que el Melexis MLX91217 proporciona un ancho de banda de 250 kHz con un tiempo de respuesta de 2 microsegundos y el MLX91219 alcanza los 400 kHz con un tiempo de respuesta de 2 microsegundos. En el rango de -40 °C a 150 °C de la norma AEC-Q100 Grado 0, los tres dispositivos especifican una deriva de sensibilidad máxima equivalente del 1 % y una deriva de desplazamiento máxima de 5 mV. Sin embargo, tanto el CUR 3020 como el MLX91217 logran un error de linealidad de hasta +/-0,2 %, en comparación con el +/-0,5 % de escala completa del MLX91219 de 400 kHz. En cuanto a encapsulado y sensibilidad, el CUR 3020 admite de 4,2 a 67,4 mV/mT en un encapsulado TO-92 (UM) de 4 pines con funcionamiento ambiente a corto plazo de hasta 165 °C, mientras que el MLX91217 ofrece un rango programable de 5 a 150 mV/mT en un encapsulado SIP-4 VA de 4 pines clasificado para una temperatura ambiente de 150 °C.

Editado por Sucithra Mani, editora de Induportals – adaptado por IA.

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