CFS1000-Stromsensoren erhöhen die Leistungsdichte

Mit Ausblick auf Anwendungen wie Electric Vehicle, Synchronmotor-Regelung und WBG-Leistungselektronik skizziert dieser Artikel den Nutzen einer neuen Stromsensor-Generation auf AMR-Basis.

Im Detail ist nachfolgend die neue Stromsensorgeneration beschrieben, für die das Entwickler-Team der Sensitec den Innovationspreis Rheinland-Pfalz 2018 erhielt. Auf der Basis des magnetoresistiven Effekts ermöglicht der Sensor CFS1000 den Entwurf leistungselektronischer Systeme mit sehr hoher Leistungsdichte für beispielsweise Umrichter und Ladesäulen.

Der sensorische Nutzen des AMR-Effekts

Magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) können auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen, haben aber die Gemeinsamkeit, dass sich der elektrische Widerstand des Sensorelements unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert. Die inneren Strukturen der MR-Sensoren lassen sich in mannigfaltigen Anordnungen realisieren, wodurch die Sensortechnologie für unterschiedliche Anwendungen adaptierbar ist. D.h. es lassen sich zum Beispiel Magnetfeld-Winkel, Magnetfeld-Stärke oder Magnetfeld-Gradienten erfassen.

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Der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt) ist seit 150 Jahren bekannt und wurde erstmals 1857 von Lord Kelvin entdeckt. Der AMR-Effekt tritt in ferromagnetischen Werkstoffen auf, etwa in Nickel-Eisen-Schichten, die als Streifenelemente angelegt sind und deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert.

Durch eine geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können sehr unterschiedliche Sensoren konstruiert werden, um beispielsweise einen Magnetfeld-Winkel, eine Magnetfeld-Stärke oder einen Magnetfeld-Gradienten zu erfassen.

Die sensorische Nutzung konnte jedoch erst vor gut 30 Jahren mit der Dünnschichttechnik voran gebracht werden. MR-Sensoren erobern seitdem ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung [1]. Die Einsatzgebiete sind jedoch nicht auf irdische Anwendungen begrenzt – sie kommen auch zum Steuern der elektrischen Antriebe an Bord von Curiosity zum Einsatz, dem Fahrzeug, das im August 2012 erfolgreich auf dem Mars gelandet ist.

MR-Sensoren eignen sich insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, wie beispielsweise in Raddrehzahlsensoren für das ABS-System oder als Lenkwinkelsensoren für das ESP-System in Automobilen. Der magnetoresistive Effekt ist zudem besonders interessant für die Strommessung. Die äußerst hohe Empfindlichkeit stellt sicher, dass man keinen Eisenkern verwenden muss, um das Magnetfeld, das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, zu konzentrieren.

Das bedeutet, dass MR-basierte Stromsensoren kaum Hysterese aufweisen und eine wesentlich höhere Bandbreite haben. Im Vergleich zu Shunt-Lösungen bieten MR-Sensoren zudem den Vorteil der galvanischen Trennung bei extrem geringeren Verlusten. Dies ist besonders wichtig in Hochspannungsanwendungen bzw. dort, wo die gesamte Leistungseffizienz ein wichtiger Design-Treiber ist, wie bei der Elektromobilität.

Der magnetoresistive Effekt bietet eine einzigartige Kombination von Bandbreite, Auflösung, Miniaturisierung und Robustheit und ist besonders für kompakte, schnelle Stromsensoren geeignet. Die Verlustleistung ist deutlich geringer als bei Shunt-Widerständen und die Responsezeit fast eine Größenordnung schneller als bei Hall-Effekt basierenden Stromsensoren. Weiterhin verfügen MR-Stromsensoren über eine sehr hohe Bandbreite, welche für den Einsatz von neuen leistungselektronischen Technologien wie SiC-Schalter und Dioden eine Bedingung darstellt.

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