小さなセンサーは電流検出アプリケーションに役立ちます
今日、磁場を比例電圧に変換することができるいくつかの技術が利用可能です。磁気センサーは、磁気エンコーダー、e-コンパス、絶対角度センサー、シンプルなオン/オフスイッチ、電流検知など、さまざまな分野のさまざまなアプリケーションで使用されてきました。
1879年にエドウィンホールによって最初に発見されたホール効果は、固体磁気センサーを構築するために長年にわたって成功裏に広く使用されてきました。ただし、システム設計者は、低消費電力、高感度と高精度、手頃な価格など、目標の要件を達成できる新しいテクノロジーの開発を余儀なくされているいくつかの制限に達しています。
これらの要件を満たすことができる新技術は、磁場下で電気的価値を変化させる材料（鉄、ニッケル、コバルトなど）の特性である磁気抵抗（MR）効果に基づいています。材料の磁化を変更すると、電子がその内部を移動する方法が変更され、デバイスの電気抵抗が変化します。 MR効果は、磁性材料の内部がどのように磁化されたかによって、さまざまな特徴があります。
MRから派生した新しい技術は、1990年代に宮崎照宣教授によって発見されたトンネル磁気抵抗（TMR）効果です。図1に示すように、TMRセンサー要素は、2つの強磁性層の間に挟まれた非常に薄いナノメートルレベルの非磁性絶縁層で構成されています。電子は、ある強磁性層から別の強磁性層へと絶縁層を通過します。これは、実際の量子力学の例です。 2つの強磁性体の磁化方向が平行である場合、抵抗は減少しますが、逆平行である場合、抵抗は増加します。
図1：2つの強磁性体とトンネル層で構成されるTMRジャンクション（出典：Crocus Technology）
クロッカステクノロジー
Crocus Technologyは、産業用および家庭用電化製品のアプリケーションで、特許取得済みのXtremeSenseTMR技術に基づいた幅広い磁気センサーを提供しています。 XtremeSense TMRテクノロジーは、統合された磁気スイッチと電流センサーを含むCrocus磁気センサーファミリーの中核です。
Crocusによると、XtremeSenseTMRテクノロジーが提供する主な利点は次のとおりです。
- 高いSNR（電流センサーで5 mAの分解能）
- 低消費電力（スイッチで110 nA）
- 温度安定性（40ppm /°C未満）
「電流センシングの需要は増え続けています。特に、より高速で、より正確で、待ち時間が短いアーキテクチャの場合、Crocusデバイスの導入が実際に見られます」とセールスおよびマーケティング担当副社長のTimKaskeは述べています。クロッカステクノロジーで。
TMRは、電流センサーとしての使用を可能にするいくつかの特性を提供します。 TMR効果により、TMRセンサーの抵抗は外部磁場に応じて変化します。最先端のCMOS回路と組み合わせると、TMRベースのセンサーは優れた直線性と熱性能を備えた高SNRセンサーとして使用できます。 TMRセンサーのこれらの特性により、接触または非接触電流センサーとしての使用が可能になります。
TMRセンサーの使用例
正確で信頼性の高い電流検出ソリューションを必要とする主要なアプリケーションは、力率補正（PFC）です。これは、効率を高めるために多くの電力アプリケーション（電源など）で必須となっている回路であり、同じ理由で必要です。ヨーロッパのEN61000-3-2などの国際規制による。 PFCステージを含む電源は、力率補正なしの電源よりも高い出力負荷電流を供給することができます。 PFCは、AC電流の高調波を大幅に低減し、電圧波形と同相の「基本的な」電流周波数のみを残すことができます。
「私たちが移行している主要な焦点アプリケーションの1つが、GaNMOSFETを備えたCCMトーテムポールPFCであることが実際にわかります」とKaske氏は述べています。 「PFCステージは過去10年間に多くの更新がなかったと思いますが、トーテムポールアーキテクチャとそれをサポートできる新しいコントローラーにより、オンボードとオフのEVなどの新しい機会が開かれています。 -ボード充電器、コンピューティング、およびデータセンター。」
シャント抵抗、増幅器、デジタルアイソレータに基づくソリューションなどの標準的な電流検出ソリューションは、TMRセンサーを使用して、PCBのフットプリントを2倍から5倍に縮小することで克服できるいくつかの制限を示しています。
「電流検出にホールベースのセンサーを使用していた他のエンジニアは、精度、帯域幅、遅延、および全体的な効率に関して、システムに大きな利点を提供できることを認識しています」とKaske氏は述べています。
一般的なアクティブPFCのブロック図を図2に示します。ダイオードブリッジは入力AC電圧をDC電圧に変換し、PFCステージはラインとメインコンバータの間に挿入されます。これはプリコンバーター（通常はブーストコンバーター）として機能し、主電源から正弦波電流を引き出し、出力にDC電圧を供給します。
図2：典型的なアクティブなPFCステージの図（出典：Crocus Technology）
図3に示すCCMトーテムポールPFCは、高周波ハーフブリッジとして構成された2つのGaN MOSFET、S1とS2を使用します。 S3とS4は、同期MOSFETを使用したライン周波数LEDです。このソリューションの採用から生じる主な利点は、高効率、低電力損失、およびコンポーネント数の削減です。高周波ソフトスイッチングソリューションには、潜在的なカスケード障害を防ぐために高速トランジェントを検出できる電流センサーが必要です。この回路は、双方向電流センサーを1つだけ使用します（i L ）正の半サイクルと負の半サイクルで電流を検出するため。
図3：CCMトーテムポールPFC（出典：Crocus Technology）
Crocusによると、XtremeSense TMRセンサーは、次の機能を備えているため、このアプリケーションにとって理想的なソリューションです。
- 高いSNRとコントローラーへのクリーンな信号
- 通電導体による低電力損失
- 1 MHz帯域幅、低位相遅延、高速出力応答時間（300 ns）測定用
- MCUに電流情報を提供するためのプログラム可能な過電流検出および障害ピン
- 双方向センシングによる正と負の両方の電流の測定
- 安全を確保するための高電圧絶縁（5 kV）
「私たちが大きなチャンスを見出しているもう1つの市場は、高い安全性と優れた絶縁を提供する変流器が広く使用されている分野である太陽光発電です」とKaske氏は述べています。 「これは、非接触型電流センサーと競合できる市場であり、同等以上のアイソレーションとより高い精度を提供すると考えています。」
>>この記事は、もともと姉妹サイトであるPower ElectronicsNewsで公開されました。
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