Galvanically isolated wide-band current sensors

Abstract

Electronic systems for smart power control are being increasingly installed in modern electrically-propelled vehicles, motors, and actuators for precise: a) position and motion adjustment, b) force and torque regulation, c) power efficiency optimization, and d) energy saving. The functionality of such controllers relies primarily on electric current sensors capable of monitoring precisely pulsed currents varying from DC up to frequencies as high as 100KHz and of reading current alteration rates as high as 10GA/sec. This requirement sets the sensor bandwidth specification to at least 1MHz for 5KA maximum current amplitude and resolution of 0.02%. Additionally, modern power control applications require current sensing in multiple conductors positioned densely among each other. The aforementioned restriction poses limitations concerning sensor dimensions and cost as well as positioning distance between sensor and current conductors. Temperature stability is another important parameter that severely affects the performance of current sensors, especially in the case of industrial applications, where they are subjected to large temperature variations. The work that has been done for this thesis is a part of the IHACS project. The IHACS project aims at the development of a new family of very compact, galvanically isolated, open-loop, wide-band, self-calibrating current sensors. The current sensor that is used is a current sensor based on the Hall effect. This thesis consists of two parts: a) The development of 2D Matlab Simulator for Eddy Current Field Filters, b) The design of a Wide-Band Magnetometer for Current Sensing Applications (Readout circuit). One of the main parasitic effects in Hall sensors and generally in semiconductors are the Eddy Currents that are induced into the semiconductor surface. Because of the presence of ac excitation current in a Hall device, ac self-magnetic field is produced. High frequency magnetic field components induce eddy currents in the Hall plate. This magnetic field forces the current to avoid the center of the device and to concentrate at the extremities of the cross-section of the device. This produces an increase in the device resistance in high frequencies. These Eddy Currents disturb the uniform flow of the biasing current within the Hall plate, destructing the sensitivity of the device even as low frequencies as DC. This is a non-linear effect, thus a linear electronic filter cannot be used to filter out high frequencies. The intention is the development of a flux shaping device in order to filter out high frequency (parasitic) field components. An open source software tool written in Matlab script language is developed and presented here. That tool is capable of solving 2D, quasi-static electromagnetic problems inside and around current conductors and/or conducting shields and is called Magnetic Field Galvanically Isolated, Wide-Band Current Sensors Simulator (MFS). This CAD tool that has been developed can be used to simulate the behaviour of shields in order to choose the one that can be optimally used. The second part of this thesis is a new magnetometer for current sensing applications, with wide bandwidth that ranges from DC up to 1MHz. In order to achieve this functionality two types of magnetic sensors are used, one capturing low frequency components and one for high frequencies. A Hall device serves the first purpose and a pick-up coil serves the second. Due to offset voltage and temperature stability, Hall sensors are limited to measurements up to few KHz. Pick-up coil performance is not good at DC, but is performing well at higher frequencies. The Readout circuit that is presented here merges the signal from the Hall sensor and the signal from the pick-up coil. The goal is to get a measurement at the output that is flat in the frequency domain up to 1MHz in order to be able to calculate the current sensor measurement. This work includes the circuit design, simulation results, fabrication and measurement results of two fabricated chips. Also, the results of the final PCB measurements are included.

Τα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για έξυπνες εφαρμογές ελέγχου ισχύος όλο και περισσότερο εγκαθίσταται σε κινητήρες ηλεκτροκίνητων οχημάτων, μηχανές και ενεργοποιητές για ακριβή υπολογισμό: α) της θέσης και της προσαρμογής κίνησης, β) της ισχύος και της ρύθμισης ροπής, γ) της βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας ισχύος, και δ) της εξοικονόμησης ενέργειας. Η λειτουργία των εν λόγω ελεγκτών βασίζεται κατά κύριο λόγο σε ηλεκτρικούς αισθητήρες ρεύματος ικανούς να καταγράφουν με μεγάλη ακρίβεια παλμικά ρεύματα που ποικίλουν από DC έως συχνότητες τόσο υψηλές όσο 100KHz και την μέτρηση ρευμάτων με ρυθμούς μεταβολής τόσο υψηλούς όσο 10GA/sec. Αυτή η απαίτηση θέτει τον καθορισμό του εύρους ζώνης του αισθητήρα τουλάχιστον ίσο με 1MHz για μέγιστο πλάτος ρεύματος ίσο με 5KA και ανάλυση 0.02%. Επιπλέον, οι σύγχρονες εφαρμογές ελέγχου ισχύος απαιτούν ανίχνευση ρεύματος σε πολλαπλούς αγωγούς οι οποίοι τοποθετούνται πυκνά μεταξύ τους. Ο ανωτέρω περιορισμός θέτει περιορισμούς όσον αφορά τις διαστάσεις του αισθητήρα και το κόστος, καθώς και την απόσταση ανάμεσα στους αισθητήρες και στους αγωγούς ρεύματος. Η σταθεροποίηση της θερμοκρασίας είναι μία ακόμα σημαντική παράμετρος που επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των σημερινών αισθητήρων, ειδικά στην περίπτωση των βιομηχανικών εφαρμογών, όπου υποβάλλονται σε μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Η δουλειά που έχει γίνει γι’ αυτή την διδακτορική διατριβή είναι τμήμα του έργου IHACS. Το έργο IHACS στοχεύει στην ανάπτυξη μιας νέας οικογένειας από πολύ μικρούς, γαλβανικά απομονωμένους, ανοικτού-βρόχου, ευρείας ζώνης συχνοτήτων, αυτο-βαθμονομούμενους, ηλεκτρικούς αισθητήρες. Ο ηλεκτρικός αισθητήρας που χρησιμοποιείται είναι ηλεκτρικός αισθητήρας που βασίζεται στο φαινόμενο Hall. Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από δύο τμήματα: a) Την ανάπτυξη σε Matlab ενός 2-διάσταστου Προσομοιωτή για Φίλτρα Πεδίου Δινορρευμάτων. b) Τον σχεδιασμό ενός Μεγάλου Εύρους Ζώνης Συχνοτήτων Μαγνητομέτρου για εφαρμογές Ηλεκτρικών Αισθητήρων (Αναλογικό Κύκλωμα). Ένα από τα βασικά παρασιτικά φαινόμενα των αισθητήρων Hall και των ημιαγωγών γενικότερα είναι τα δινορρεύματα τα οποία εισάγονται στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Εξαιτίας της παρουσίας του ac ρεύματος διέγερσης σε μία συσκευή Hall, παράγεται ac αυτο-μαγνητικό πεδίο. Τα τμήματα υψηλής συχνότητας του μαγνητικού πεδίου εισάγουν δινορρεύματα στην πλάκα Hall. Αυτό το μαγνητικό πεδίο αναγκάζει το ρεύμα να αποφύγει το κέντρο και να συγκεντρωθεί στα άκρα της τομής της πλάκας. Αυτό προκαλεί την αύξηση της αντίστασης της πλάκας στις υψηλές συχνότητες. Αυτά τα δινορρεύματα παρενοχλούν την ομοιόμορφη ροή του ρεύματος πόλωσης μέσα στην πλάκα Hall, καταστρέφοντας την ευαισθησία της πλάκας ακόμα και σε χαμηλές DC συχνότητες. Αυτό είναι ένα μη-γραμμικό φαινόμενο, άρα ένα γραμμικό ηλεκτρονικό φίλτρο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φιλτράρει τις υψηλές συχνότητες. Η πρόθεση είναι η δημιουργία μιας συσκευής διαμόρφωσης ροής έτσι ώστε να φιλτραριστούν τα υψηλόσυχνα (παρασιτικά) τμήματα. Ένα εργαλείο λογισμικού ανοικτού κώδικα έχει γραφεί σε γλώσσα Matlab και παρουσιάζεται εδώ. Αυτό το εργαλείο έχει την ικανότητα να λύνει 2-διάστατα, ημι-στατικά ηλεκτρομαγνητικά προβλήματα μέσα και γύρω από αγωγούς ρεύματος και/ή αγώγιμες ασπίδες και ονομάζεται Προσομοιωτής Μαγνητικού Πεδίου. Αυτό το εργαλείο CAD το οποίο έχει αναπτυχθεί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσομοιώσει την συμπεριφορά ασπίδων έτσι ώστε να επιλεγεί αυτή η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιο βέλτιστα. Το δεύτερο κομμάτι αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι ένα καινούριο μαγνητόμετρο για εφαρμογές αισθητήρων ρεύματος, το οποίο έχει μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων το οποίο κυμαίνεται από DC μέχρι και 1MHz. Για να επιτευχθεί αυτή η λειτουργικότητα έχουν χρησιμοποιηθεί δύο τύποι μαγνητικών αισθητήρων, ένας για τα τμήματα χαμηλών συχνοτήτων και ένας για τις υψηλές συχνότητες. Μια Hall συσκευή εξυπηρετεί τον πρώτο σκοπό και ένα pick-up πηνίο εξυπηρετεί τον δεύτερο. Εξαιτίας της τάσης αντιστάθμισης και της σταθεροποίησης της θερμοκρασίας, οι Hall αισθητήρες περιορίζονται σε μετρήσεις συχνοτήτων μέχρι μερικά KHz. Η λειτουργικότητα του pick-up πηνίου δεν είναι καλή σε DC, αλλά συμπεριφέρεται καλά σε υψηλότερες συχνότητες. Το κύκλωμα που παρουσιάζεται εδώ συνενώνει τα σήματα από τον Hall αισθητήρα και από το pick-up πηνίο. Ο στόχος είναι να ληφθεί μέτρηση στην έξοδο η οποία να είναι επίπεδη στο πεδίο της συχνότητας μέχρι το 1MHz έτσι ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός της μέτρησης του αισθητήρα ρεύματος. Συμπεριλαμβάνεται ο κυκλωματικός σχεδιασμός, αποτελέσματα προσομοιώσεων, κατασκευή και αποτελέσματα μετρήσεων δύο κατασκευασμένων κυκλωμάτων. Επίσης, συμπεριλαμβάνονται τα αποτελέσματα του τελικού τυπωμένου κυκλώματος.