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La mesure de courant est une fonction capitale pour un large éventail de systèmes électroniques et de gestion de l’énergie, y compris les alimentations, les BMS, les contrôleurs de moteurs électriques et les réseaux de distribution d’énergies renouvelables. Pour que ces systèmes soient protégés et qu’ils fonctionnent de façon correcte, précise et fiable, la mesure de courant joue un rôle essentiel.

Mais un certain nombre de questions se posent car la densité de puissance des appareils augmente et que la tendance est d’optimiser l’utilisation de l’espace disponible sur les cartes électroniques. Dans ce contexte, avec des contraintes d’espace et une densité de puissance toujours plus fortes, les capteurs de courant intégrés (ou ICS, pour Integrated Current Sensors) ont un rôle capital à jouer.

Les capteurs ICS sont parfaits pour un large éventail d’applications automobiles, industrielles ou résidentielles. Ces capteurs de courant intègrent le conducteur de courant, les éléments de détection magnétiques à effet de Hall, une puce de traitement du signal, ainsi que des fonctionnalités spécifiques, telles que la protection contre les pics de courant ou l’isolation, le tout concentré dans un boîtier.

La détection basée sur l’effet de Hall est l’un des moyens de mesurer le champ magnétique induit par le passage du courant, sans aucun contact. La cellule de Hall est l’élément de détection qui convertit le changement du champ magnétique en un changement de sa résistance et de la tension de sortie proportionnelle.

En tant que leader de la mesure des grandeurs électriques depuis 50 ans, LEM a toujours développé des nouvelles technologies pour répondre aux besoins de ses clients, qui évoluent constamment. Il y a quelques années, LEM a fait le choix d’investir massivement pour développer sa propre gamme d’ICS. La roadmap est ambitieuse, elle prévoit la conception et le développement d’une gamme complète de ce type de capteurs. Et si LEM a fait le choix d’investir de façon aussi importante, c’est parce que nous sommes convaincus que les ICS sont incontournables et ce pour quatre raisons principales.

Une conception sans noyau magnétique

Les capteurs de courant à effet Hall classiques comportent un noyau magnétique autour du conducteur du capteur et des éléments de détection, afin de concentrer le champ magnétique. Ce noyau apporte également une protection contre les champs magnétiques externes et le bruit, deux paramètres indésirables. La mesure différentielle permet de se passer du noyau de ferrite, en utilisant deux éléments de détection (les cellules de Hall), qui reçoivent toutes les deux le champ magnétique à mesurer (l’un avec un facteur positif et l’autre avec un facteur négatif). La différence entre les deux champs permet l’annulation de tout champ magnétique extérieur supplémentaire non désiré.

Les capteurs de courant intégrés utilisent la mesure différentielle pour se passer de tout noyau de ferrite. En supprimant ce noyau, on profite de plusieurs avantages sur les applications embarquées. Par exemple, le coût est réduit, la densité de puissance du capteur est mécaniquement augmentée (jusqu’à 75 A sur les applications à 800 V pour les produits ICS LEM) et la mesure n’est pas affectée par les problèmes d’hystérésis magnétique Enfin, la fréquence et la bande passante ne sont pas limitées par la saturation de l’élément magnétique du noyau.

Isolation embarquée

Certains systèmes ont besoin d’une isolation spécifique pour protéger l’utilisateur final, ce qui signifie que l’interface utilisateur doit être physiquement séparée du réseau haute tension (HT) et ne peut partager la même référence de tension. Les capteurs ICS intègrent une fonction d’isolation à l’intérieur du composant (isolation galvanique) et à l’extérieur du composant (distances de fuite et de contournement), ce qui signifie qu’il n’y a aucune connexion physique entre le conducteur primaire que traverse le courant et le circuit secondaire où se trouvent la puce de l’ASIC et les broches secondaires. Ces deux côtés communiquent entre eux uniquement via le champ magnétique produit par le courant circulant.

L’ASIC dans le capteur ICS est produit selon le processus de fabrication des semi-conducteurs CMOS. Cela permet d’intégrer des fonctionnalités spécifiques dans le composant sans ajouter aucun matériel supplémentaire. Par exemple, tous les éléments analogiques et numériques requis pour détecter, amplifier et traiter le signal de tension proportionnel sont intégrés dans une seule puce, ce qui garantit également une faible consommation et un faible échauffement.

La détection des pics de courant est également une fonction importante. Grâce à la fonction OCD (over current detection) interne, si le courant dépasse le seuil défini, cela déclenche un signal de sortie spécifique sur une broche dédiée. Le microcontrôleur de l’application peut ainsi recevoir les informations d’alerte avec un minimum de délai. Sinon, l’action devrait être effectuée par le microcontrôleur lui-même en fonction du signal de tension proportionnel au courant envoyé par le capteur, et il prendrait beaucoup plus de temps.

Compensation et fonctions intégrées supplémentaires

En ce qui concerne les contraintes et la compensation en température, si la puce de l’ASIC est soumise à un stress dans le boîtier ou a un changement de température cela peut créer une dérive de la sensibilité. Des capteurs internes à l’intérieur de la puce compensent cet écart pour garantir une sensibilité linéaire et précise sur une large plage de conditions différentes. Sur les systèmes similaires mais basés sur des composants discrets, le changement de température va induire une dérive de la mesure et exiger une étape de conception supplémentaire dans le microcontrôleur pour compenser ces variations avec précision. A l’inverse, les ICS sont des solutions clés en main.

Traditionnellement, la tension de sortie est toujours proportionnelle au courant mesuré, mais il existe deux façons de référencer la variation de la tension de sortie à une tension connue. En mode ratiométrique, la tension Vout est exprimée sous forme de pourcentage de la tension d’alimentation Vcc et requiert une alimentation en tension stable. En mode fixe (non ratiométrique), la tension Vout est comparée à une tension de référence externe Vref. Le signal proportionnel est égal à Voutmoins Vref. Quand le courant à mesurer est égal à 0 A, Vout = Vref. En d’autres termes, la tension de référence établit la tension de sortie à courant zéro.

LEM a conçu deux familles de capteurs ICS, la série HMSR et la série GO. Les capteurs ICS HMSR et GO-SMS de LEM intègrent des détecteurs de pics de courant pour une protection maximale du système et sont également disponibles avec des tensions de sortie ratiométriques ou fixes. Tandis que la gamme HMSR de LEM fournit une immunité supplémentaire grâce à son noyau intégré, la série GO offre toutes les performances d’un capteur de courant Hall dans un boitier compact et de type SOIC 16 ou 8. GO-SMS de LEM peut garantir une isolation de base allant jusqu’à 2088 V et une isolation renforcée de 1041 V (DC ou tension de fonctionnement crête) conformément à la norme CEI 62368-1.

Plug-and-play by design

Les capteurs de courant intégrés permettent aux développeurs de mettre en oeuvre une fonction de détection de courant avec une approche clés en mains, en adressant tous les défis de conception à l’aide d’un seul composant. Leur intégration mécanique complète et leurs pertes de puissance très faibles permettent de réduire au maximum l’encombrement sans créer de contraintes thermiques supplémentaires.

Grâce à leur mesure sans contact et leur isolation interne et externe, les capteurs ICS sont parfaits pour les applications à haute tension ou exigeant une isolation renforcée. Des boîtiers plus réduits, avec moins d’isolation et des fonctionnalités moins complètes peuvent permettre de réduire le coût si aucune isolation n’est requise (< 60 Vdc). Cette flexibilité permet aux capteurs ICS de LEM de convenir à différents types de systèmes et d’architectures, que ce soit pour des applications aux coûts optimisés ou des systèmes isolés à haute valeur ajoutée.

Les performances des capteurs ICS ne souffrent d’aucun compromis car toutes les fonctions sont conçues grâce à des éléments semi-conducteurs. Cela permet l’intégration de mécanismes de protection spécifiques tels que la détection rapide des surintensités. Selon l’architecture du système et les choix de conception, la sortie de tension proportionnelle au courant peut être référencée par rapport à la tension d’alimentation Vcc ou à une tension de référence externe Vref.

Les capteurs de courant intégrés (ICS) sont ainsi indiqués pour un large choix d’applications pour lesquelles un contrôle précis et une protection efficaces sont nécessaires. En particulier, les tous derniers capteurs ICS de LEM conviennent particulièrement pour des applications où la contrainte d’espace est importante et où on rencontre une forte densité de puissance.

Résolument tourné vers cet avenir, LEM possède une feuille de route ambitieuse pour étoffer sa gamme de capteur de courant ICS et répondre aux besoins spécifiques de ses clients. L’étape suivante de cette feuille de route est le lancement de HMSR DA, le premier ICS à sortie numérique sigma-delta.

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