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Hochgenauer aktiver Hochstrom-Shunt für Industrie und Automotive

Autor / Redakteur: Phil Ebbert, Krunal Maniar * / Gerd Kucera

Dieser Shunt misst Ströme bis über 1000 A mit ±0,1% Fehler bei einer Linearität von ±0,1% und Stabilitätsverlust <0,2% nach 1000 Stunden bei 45 °C. Der Differenzausgang negiert die Thermo-EMK.

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Bild 1: Der Aufbau und die Funktionsweise eines Widerstands-Shunt.
Bild 1: Der Aufbau und die Funktionsweise eines Widerstands-Shunt.
(Bild: Riedon)

In der elektrischen Antriebstechnik, unterbrechungsfreien Stromversorgung, im Photovoltaik-Wechselrichter, in Batteriesystemen und nicht zuletzt in den Invertern von Elektrofahrzeugen wird um jedes Zehntel Effizienzverbesserung gekämpft. In solchen Hochleistungsanwendungen sind zur Regelung des Energie-Budgets präzise Strommessungen bei hohen Gleichtaktspannungen erforderlich. Shunt-Widerstände sind für eine solche Strommessung in Anwendungen mit hohen Stromstärken die gängige Wahl. Insbesondere in den Fahrzeugen der Elektromobilität steigt aus den genannten Gründen der Effizienzverbesserung der Bedarf an kompakten Shunt-Widerständen zur Unterstützung hoher Stromstärken.

Solche Hochleistungssysteme sind rauen Umgebungsbedingungen wie Vibration, Stoß, Temperaturschwankung und dem Eindringen von Verunreinigungen und Feuchtigkeit ausgesetzt. Dennoch müssen die Strommessungen, typischerweise mit Werten zwischen 100 und 1000 A, auf der Leistungsseite (Hot-Side) zuverlässig erfolgen, bevor sie, galvanisch von der Hot-Side getrennt an die Cold-Side mit dem Mikrocontroller übertragen werden.

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Der typische Shunt ist ein niederohmiger Nebenschlusswiderstand (Messwiderstand), der in den zu überwachenden Strompfad eingefügt ist. Sein Spannungsabfall ist das Maß zur Bestimmung des fließenden Stromes. Klingt trivial, aber wichtig zu wissen ist: Die Übergangswiderstände in den Stromklemmen des Shunt sind dabei nicht selten größer als der Messwiderstand selbst.

Neue aktive Shunts bieten jetzt eine Komplettlösung, bestehend aus hochgenauer Messung und Isolierung in einem einzigen Gehäuse. Dazu später mehr. Wozu ist die Stromüberwachung sinnvoll?

Jede Anwendung, die erhebliche Mengen an elektrischer Energie erzeugt oder verbraucht, muss so effizient wie möglich arbeiten. In vielen Fällen gibt es dafür eine Form der automatischen Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis, die eine genaue Stromerfassung erfordert.

Große Batteriesysteme sind in den letzten Jahren immer beliebter geworden und versorgen wichtige Infrastrukturen wie Rechenzentren und Krankenhäuser im Notfall mit Strom. Die Überwachung der Batteriekapazität und Batterienutzung erfordert eine genaue Stromerfassung.

Gängige Methoden der Stromüberwachung

Elektromotoren werden mehr denn je zur Industrieautomatisierung und Elektromobilität eingesetzt, wie eingangs erwähnt. Für effiziente bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) ist die Strommessung ein wesentlicher Bestandteil der elektronischen Kommutierung. Auch viele wachstumsstarke Branchen wie alternative Energieerzeugung und Energieverteilung erfordern eine genaue Stromüberwachung für Management, Berichterstattung und Regelung.

Es gibt zwei wesentliche Methoden der Stromüberwachung bei Gleichstromanwendungen: Widerstands-Shunt und Hall-Effekt-Shunt. Der Hall-Effekt-Ansatz beruht auf einer Kopplung des magnetischen Flusses, um einen Strom in einem Sensorelement zu induzieren. Dieser Ansatz bietet seine eigene Isolierung.

Bild 2: Der Aufbau und die Funktionsweise einer Hall-Effekt-Schaltung.
Bild 2: Der Aufbau und die Funktionsweise einer Hall-Effekt-Schaltung.
(Bild: Riedon)

Allerdings sind Hall-Effekt-Module relativ teuer, insbesondere die Module mit geschlossenem Regelkreis, wenn für Anwendungen in den Bereichen alternative Energien und Elektrofahrzeuge eine sehr hohe Genauigkeit und ein hoher Dynamikbereich erforderlich sind. Außerdem weisen sie eine obere Temperaturgrenze bei 85 °C auf, die in Platz kritischen Hochleistungsanwendungen relativ leicht erreicht wird.

Der Shunt-Ansatz ist relativ einfach, da nur ein niederohmiger Widerstand in den Leiter, der den zu messenden Strom führt, eingefügt wird. Der Widerstand erzeugt eine Spannung, die gemäß des ohmschen Gesetzes proportional zum Strom ist. Diese Spannung wird anschließend verstärkt und überwacht, um den Strombetrag zu beobachten. Der Nachteil des Shunt-Ansatzes ist, dass dabei ein Teil der Leistung als Wärme im Widerstand abgeführt wird.

Bild 3: Der aktive Shunt SSA von Riedon enthält eine isolierte Stromversorgung und einen isolierten Verstärker sowie das Shunt-Element.
Bild 3: Der aktive Shunt SSA von Riedon enthält eine isolierte Stromversorgung und einen isolierten Verstärker sowie das Shunt-Element.
(Bild: Riedon)

Die Shunt-basierte Strommessung bietet dennoch viele Vorteile. Beispielsweise sind Shunt-basierte Messungen genauer und über den Zeit- und Temperaturverlauf stabiler. In den meisten Fällen dürfte eine einmalige Erstkalibrierung während der Fertigung ausreichen, um die langfristigen Anforderungen an die Genauigkeit zu erfüllen.

Ein anderer großer Vorteil von Shunt-Messungen besteht darin, dass sie gegen Magnetfelder immun sind. In Hochleistungsanwendungen, insbesondere bei Elektromotoren und Elektrofahrzeugen, erzeugen die hohen Ströme in nahegelegenen Leitern Magnetfelder, die mittels Hall-Effekt-Techniken gemessenen Werte verfälschen können. Außerdem funktionieren Shunts im Gegensatz zu Hall-Effekt-Sensoren bei höheren Temperaturen ohne Einschränkungen, was gerade in vielen leistungsbezogenen Anwendungen mit erhöhten Temperaturen von Vorteil ist.

Was aktive Shunts sind und welchen Nutzen sie haben

Bei Gleichstrommessungen bis 50 A werden eher Shunt-basierte Lösungen eingesetzt, während mit dem Hall-Effekt höhere Ströme erfasst werden. Da Entwickler vieler moderner Anwendungen hochgenaue Strommessungen auch bei hohen Strömen benötigen, erlebt der Shunt-Ansatz eine gewisse Wiederbelebung. Der neue Ansatz für die Shunt-Strommessung kombiniert nun einen herkömmlichen passiven Shunt bzw. Nebenschlusswiderstand mit einem isolierten Verstärker. Damit stehen alle Vorteile der Shunt-Messung und auch die von Hall-Effekt-Sensoren bekannte Isolierung bereit.

Ein Beispiel für diese aktive Shunt-Ausführung ist der neue Smart Shunt SSA von Riedon, der einen niederohmigen Manganin-Shunt-Widerstand, einen hochpräzisen isolierten Verstärker und einen isolierten DC/DC-Wandler kombiniert. Der Smart Shunt SSA bietet einen Differenzausgang und lässt sich damit direkt an die meisten Mikrocontroller (MCUs) anschließen. Der SSA ist derzeit der branchenweit einzige verstärkende aktive Shunt mit einem Analogausgang.

Bild 4: Die Single-Ended-Umwandlung erfordert eine einfache Operationsverstärkerschaltung.
Bild 4: Die Single-Ended-Umwandlung erfordert eine einfache Operationsverstärkerschaltung.
(Bild: Riedon)

Die Komplettlösung ist einfach zu entwickeln und zu installieren. Sie wird auf eine Sammelschiene geschraubt, wobei alle elektrischen Verbindungen (Strom und Signal) über einen einzigen Anschluss bereitgestellt werden. Der SSA ist unempfindlich gegenüber Magnetfeldern und lässt sich daher im Gegensatz zu Hall-Effekt-Sensoren frei positionieren, ohne dass eine zusätzliche Abschirmung erforderlich ist, was bei der Entwicklung für mehr Flexibilität sorgt.

Der SSA kann Ströme über 1000 A mit einer Genauigkeit von ±0,1% und einer Linearität von ±0,1% messen. Der langfristige Stabilitätsverlust beträgt nach 1000 Stunden bei 45 °C weniger als 0,2%, was eine jährliche Neukalibrierung erübrigt. Der Differenzausgang negiert effektiv die Thermo-EMK und beseitigt alle damit verbundenen Abweichungen, die aufgrund eines Temperaturgradienten über dem Baustein entstehen.

Im Gegensatz zu anderen Shunt-Lösungen bietet der vollständig nach UL94-V0 gekapselte Baustein eine verstärkte Isolation von 1500 VDC (1000 VACeff), wodurch er sich in Stromrichtern auf der High-Side montieren lässt, obwohl die Montage auf der Low-Side als Best Practice empfohlen wird.

Da der SSA einen Verstärker enthält, ist der Widerstandswert extrem niedrig, denn die erfasste Spannung wird intern multipliziert. Daher liegt die Verlustleistung bei der Messung von Strömen bis zu 1000 A im Bereich von 5 bis 20 W. Der robuste Baustein enthält einen AEC-Q100-zertifizierten, isolierten Verstärker von Texas Instruments und eignet sich damit auch für die strengen Automotive-Anwendungen, die den erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 bis 125 °C abdecken müssen.

Der isolierte Verstärker bietet eigens einen Differenzausgang mit einer Reihe von Vorteilen. Falls ein Single-Ended-Signal erforderlich ist, lässt sich dies mit einer einfachen Operationsverstärkerschaltung (OPV) bereitstellen.

Der Differenzausgang des isolierten Verstärkers wird häufig in einen Single-Ended-Analogausgang mit einer OPV-basierten Schaltung umgewandelt. Diese Schaltung kann auch ein Tiefpassfilter implementieren, um die Signalbandbreite weiter auf eine gewünschte Bandbreite zu reduzieren und dadurch die Rauschleistung des Systems zu verbessern.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Fazit: Mit einer flexiblen, genauen und robusten Strommessung lässt sich eine präzise Regelung und damit ein optimaler Wirkungsgrad erzielen. Die Messung von Gleichströmen wurde bisher auf zwei Arten durchgeführt: mittels eines Shunt-Widerstands in Serie oder eines Hall-Effekt-Sensors, wobei jede Lösung ihre eigenen Vorteile und Herausforderungen mit sich bringt.

Die in diesem Artikel vorgestellte Lösung des aktiven Shunt kombiniert die besten Eigenschaften der Shunt- und der Hall-Effekt-basierten Messung in Hochstromumgebungen. Die praktische Einzelmodullösung ist unempfindlich gegen magnetische Streufelder sowie über der Zeit und Temperatur stabil, sodass keine teuren Kalibrierungen erforderlich sind. Sie bietet auch die höhere Genauigkeit, wie sie in modernen Anwendungen gefordert wird; ist kostengünstig und auf Sammelschienen oder einer Schalttafel mit optionalem Trennadapter einfach zu installieren.

* Phil Ebbert ist VP of Engineering bei Riedon.

* Krunal Maniar ist Business Development Manager bei Texas Instruments.

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