Hochdynamische Strommessung in der Leistungselektronik

Einführung

Die Effizienz moderner Leistungselektronik wird durch die aktiven Schaltelemente begrenzt. Die Silizium-Technologie stößt hier an ihre Grenzen. Leistungshalbleiter aus Materialien mit einer größeren Bandlücke, wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid, bieten hinsichtlich der elektrischen und thermischen Eigenschaften Vorteile für den zukünftigen Einsatz in der Leistungselektronik. Beispielhaft sind die Eingangs- und Ausgangskapazitäten von Galliumnitrid- oder Siliziumkarbid Halbleitern deutlich kleiner verglichen mit Silizium Halbleitern mit gleicher Stromtrag- oder Sperrspannungsfähigkeit.

Mit den Halbleitern, gefertigt aus Materialen mit größerer Bandlücke, lassen sich deutlich steilere Stromflanken beim Ein- oder Ausschalten erzielen. Dadurch können die Schaltungen mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben werden und deutlich kompakter aufgebaut werden.

Die veränderten Stromverläufe führen zu erhöhten Anforderungen an die Strommessung hinsichtlich der Bandbreite sowie auch der Kompaktheit.
 

Messung der Ausgangsströme

Lupe
Verlauf Ausgangsströme

Bei der Erfassung von Ausgangsströmen zum Beispiel bei einem dreiphasigen Wechselrichter, der sehr häufig in der Elektromobilität eingesetzt wird, sind die Anforderungen an die Bandbreite geringer. Die Ausgangsströme verlaufen meist kontinuierlich aufgrund der induktiven Last. Um den Stromverlauf genau zu erfassen, sollte der Stromsensor eine Bandbreite aufweisen, welche sowohl die Grundschwingung, als auch die Oberschwingungen der höherfrequenten Stromschwankungen (auch als Stromripple bezeichnet) beinhaltet.

Messung der Kommutierungsströme

Kommutierungsstroeme
Kommutierungsströme

Die Erfassung von Kommutierungsströmen, beispielhaft Ströme die während eines Schaltvorgangs von einem Leistungstransistor hin zu einer Leistungsdiode übergehen, stellt die Strommessung vor besondere Herausforderungen. Der nahezu ideal rechteckförmige Verlauf mit den steilen Stromflanken enthält sowohl einen Gleichanteil, sowie einen großen Anteil an Oberschwingungen mit Frequenzen im mehrstelligen Megahertzbereich. Für eine exakte Messung eines solchen Stromverlaufes wird daher eine Bandbreite von DC bis in den mehrstelligen Megahertzbereich benötigt. Bei den modernen Schaltungen stellt der kompakte Aufbau eine weitere Schwierigkeit dar, da es häufig schlicht nicht möglich ist, den Kommutierungspfad mittels einer Strommesszange zu umschließen.

Forschungsaktivitäten am ILEA

Am Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe werden seit über 30 Jahren berührungslose Stromsensoren entwickelt.

Strommesszangen

Am Institut wird an Strommesszangen geforscht, die nach dem Kompensationsprinzip mit Hall-Sensoren arbeiten. Seit einigen Jahren hat sich die Aufteilung in Messbereiche bis 200 A, bis 800 A und bis 3000 A DC etabliert.
Um eine größere Dynamik zu erzielen, wird auch an Strommesszangen geforscht, die keinen ferromagnetischen Kern enthalten, sogenannte „eisenfreie Strommesszangen“. Momentan noch in der Entwicklung befindliche Strommesszangen weisen bereits Bandbreiten bis zu 100 Megahertz auf.

Stromsensoren

Ein weiterer Forschungsbereich beschäftigt sich mit der Messung von Kommutierungsströmen in leistungselektronischen Schaltungen mit Halbleitern mit großer Bandlücke. Wichtig hierbei ist die sehr geringe Einfüge-Induktivität des Sensors sowie eine sehr hohe Bandbreite bis in den mehrstelligen Megahertzbereich. Dabei werden verschiedene Sensorprinzipien miteinander kombiniert:
Tunnelmagnetoresistive Sensoren sowie Rogowski Spulen oder kernlose Stromtransformatoren

Impulsstromquellen

Zur Bestimmung der Bandbreite oder der Dynamik eines Stromsensors werden Prozessstromquellen benötigt, die typische Kommutierungsströme innerhalb einer leistungselektronischen Schaltung nachbilden und auch einen Referenzstromsensor enthalten.
Dafür werden untere anderem Halbleiter mit großer Bandlücke eingesetzt und so ist es möglich Stromimpulse mit Flankensteilheiten bis zu 27 Ampere pro Nanosekunde und einem Maximalwert bis zu 3000 Ampere zu generieren. 

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Nathan Tröster