De minuscules capteurs profitent aux applications de détection de courant

Aujourd'hui, plusieurs techniques capables de convertir un champ magnétique en une tension proportionnelle sont disponibles. Les capteurs magnétiques ont été utilisés dans différentes applications dans divers secteurs, notamment les encodeurs magnétiques, les boussoles électroniques, les capteurs d'angle absolu, les simples interrupteurs marche/arrêt et la détection de courant.

L'effet Hall, découvert pour la première fois par Edwin Hall en 1879, a été largement utilisé avec succès pendant de nombreuses années pour construire des capteurs magnétiques à semi-conducteurs. Cependant, il a atteint certaines limites qui obligent les concepteurs de systèmes à développer de nouvelles technologies capables d'atteindre les exigences cibles, telles qu'une faible consommation d'énergie, une sensibilité et une précision élevées et un coût abordable.

Les nouvelles technologies capables de répondre à ces exigences sont basées sur l'effet de magnétorésistance (MR), qui est la propriété d'un matériau (comme le fer, le nickel et le cobalt) de changer sa valeur électrique sous un champ magnétique. La modification de la magnétisation d'un matériau modifie la façon dont les électrons se déplacent à l'intérieur, ce qui entraîne une modification de la résistance électrique de l'appareil. L'effet MR a des caractéristiques différentes selon la façon dont l'intérieur du matériau magnétique a été magnétisé.

Une nouvelle technologie dérivée de la RM est l'effet de magnétorésistance tunnel (TMR), découvert par le professeur Terunobu Miyazaki dans les années 1990. Comme le montre la figure 1, un élément de capteur TMR est constitué d'une couche d'isolation non magnétique extrêmement fine de l'ordre du nanomètre, prise en sandwich entre deux couches ferromagnétiques. Les électrons traversent une couche isolante d'une couche ferromagnétique à l'autre. C'est un exemple de la mécanique quantique en action. Lorsque les directions d'aimantation des deux matériaux ferromagnétiques sont parallèles, la résistance diminue, tandis que lorsqu'elles sont antiparallèles, la résistance augmente.

Figure 1 :Une jonction TMR composée de deux ferroaimants et d'une couche tunnel (Source :Crocus Technology)

Technologie Crocus

Crocus Technology propose une large sélection de capteurs magnétiques basés sur sa technologie brevetée XtremeSense TMR dans les applications électroniques industrielles et grand public. La technologie XtremeSense TMR est au cœur de la famille de capteurs magnétiques Crocus, qui comprend des commutateurs magnétiques et des capteurs de courant intégrés.

Selon Crocus, les principaux avantages offerts par la technologie XtremeSense TMR sont :

• SNR élevé (résolution de 5 mA dans les capteurs de courant)
• Faible consommation d'énergie (110 nA dans les commutateurs)
• Stabilité de la température (inférieure à 40 ppm/°C)

« La demande de détection de courant continue d'augmenter, en particulier pour les architectures qui doivent fonctionner plus rapidement, être plus précises et avoir moins de latence – c'est là que nous voyons vraiment l'introduction des appareils Crocus », a déclaré Tim Kaske, vice-président des ventes et du marketing. chez Crocus Technology.

Le TMR offre plusieurs caractéristiques qui permettent son utilisation comme capteur de courant. En raison de l'effet TMR, la résistance d'un capteur TMR change en fonction du champ magnétique externe. Lorsqu'ils sont combinés avec des circuits CMOS de pointe, les capteurs basés sur TMR peuvent être utilisés comme capteurs à SNR élevé avec une excellente linéarité et des performances thermiques. Ces caractéristiques des capteurs TMR permettent son utilisation comme capteur de courant avec ou sans contact.

Cas d'utilisation du capteur TMR

Une application clé qui a besoin de solutions de détection de courant précises et fiables est la correction du facteur de puissance (PFC), un circuit qui est devenu obligatoire dans de nombreuses applications d'alimentation (telles que les alimentations) pour augmenter l'efficacité et, pour la même raison, est requis par les réglementations internationales, telles que EN61000-3-2 en Europe. Une alimentation comprenant un étage PFC peut fournir des courants de charge de sortie plus élevés que ceux sans correction du facteur de puissance. Le PFC peut réduire considérablement les harmoniques de courant alternatif, ne laissant presque que la fréquence de courant « fondamentale », qui est en phase avec la forme d'onde de la tension.

« Nous voyons vraiment comment l'une des applications clés dans lesquelles nous nous dirigeons est le PFC à totem CCM avec des MOSFET GaN », a déclaré Kaske. « Je dirais que l'étage PFC n'a pas eu beaucoup de mises à jour au cours des 10 dernières années, mais maintenant, avec l'architecture totem-pole et les nouveaux contrôleurs capables de le prendre en charge, de nouvelles opportunités s'ouvrent, telles que EV embarqué et éteint. -chargeurs de bord, informatique et centres de données. »

Les solutions de détection de courant standard, telles que celles basées sur des résistances shunt, des amplificateurs et des isolateurs numériques, présentent plusieurs limitations qui peuvent être surmontées en utilisant des capteurs TMR, réduisant l'empreinte sur le PCB de 2x à 5x.

"D'autres ingénieurs, qui ont utilisé un capteur à effet Hall pour la détection de courant, constatent maintenant que nous pouvons offrir un avantage significatif pour leur système en termes de précision, de bande passante, de latence et d'efficacité globale", a déclaré Kaske.

Le schéma fonctionnel d'un PFC actif typique est illustré à la figure 2. Le pont de diodes convertit la tension alternative d'entrée en une tension continue, tandis que l'étage PFC est inséré entre la ligne et le convertisseur principal. Il agit comme un pré-convertisseur (normalement un convertisseur élévateur), tirant un courant sinusoïdal du secteur et fournissant en sortie une tension continue.

Figure 2 : Schéma d'un étage PFC actif type (Source :Crocus Technology)

Le PFC totem-pôle CCM, illustré à la figure 3, utilise deux MOSFET GaN, S1 et S2, configurés en demi-pont haute fréquence. S3 et S4 sont pilotés par fréquence de ligne avec des MOSFET synchrones. Les principaux avantages découlant de l'adoption de cette solution sont un rendement élevé, de faibles pertes de puissance et un nombre réduit de composants. Les solutions de commutation logicielle à haute fréquence nécessitent un capteur de courant capable de détecter les transitoires rapides pour éviter les défaillances potentielles en cascade. Ce circuit utilise un seul capteur de courant bidirectionnel (i _L ) pour détecter le courant sur un demi-cycle positif et un demi-cycle négatif.

Figure 3 :PFC totem-totem CCM (Source :Crocus Technology)

Selon Crocus, un capteur TMR XtremeSense est la solution idéale pour cette application, car il fournit :

• SNR élevé et signal propre au contrôleur
• Faible perte de puissance à travers le conducteur porteur de courant
• Bande passante de 1 MHz avec un faible retard de phase et un temps de réponse de sortie rapide (300 ns) pour les mesures
• Détection de surintensité programmable et broche de défaut pour fournir des informations actuelles au MCU
• Mesure du courant positif et négatif avec détection bidirectionnelle
• Isolation haute tension (5 kV) pour assurer la sécurité

"Un autre marché où nous voyons de grandes opportunités est l'énergie solaire, un secteur où les transformateurs de courant, offrant une sécurité élevée et une bonne isolation, sont largement utilisés", a déclaré Kaske. "Nous pensons que c'est un marché où nous pouvons rivaliser avec les capteurs de courant sans contact, offrant une isolation identique ou meilleure et une précision plus élevée."

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, Power Electronics News.

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