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適切な電流センサアーキテクチャの選定方法と電力密度の管理
このドキュメントは、電流センサの選定に関するガイダンスを提供する包括的なシリーズの一部です。ここでは、その記事の要点をまとめています。詳細情報および記事全文をご覧になりたい場合は、以下のリンクをご利用ください。
主なポイント
- 電流がアーキテクチャを決定する： 統合型、コアレス型、あるいはコアベース型のアーキテクチャのいずれを選択するかは、主に連続電流と、それによって生じるシステムの熱的制約によって決まります。
- 統合型はシンプルさを重視： 200A未満の電流を必要とするアプリケーションでは、導体内蔵型センサ ACS37220 や ACS71010 など）により、工場出荷時に校正済みの「プラグアンドプレイ」ソリューションを、最小の実装面積で実現できます。
- 最大電力密度を実現するコアレス方式： 狭いスペース内で100Aから4000A以上を測定する場合、コアレス差動センサは、かさばる磁気コアを排除した、損失のない非接触方式を提供します。そのトレードオフは、機械的公差です。バスバーの位置がずれると、検出誤差が生じる可能性があります。
- 過酷な環境向けのコア式： 設計上、非常に高い電流下で、高精度と外部の漂遊磁界に対する耐性が求められる場合、強磁性体コンセントレータを備えたコア式ソリューションが適しています。
- レイアウトは極めて重要な要素： アーキテクチャにかかわらず、PCBやバスバーの設計は、磁気インターフェースとヒートシンクの両方の役割を果たします。長期的な信頼性を確保するためには、銅の量やサーマルビアに関するベストプラクティスを遵守することが不可欠です。
- TMRは高速化の最前線： 最大5MHzの帯域幅を必要とする用途において、AllegroのTMRベースの統合センサは、従来のホール効果技術と比較して大幅な性能向上を実現します。また、TMRは感度も優れており、これにより、さらに小型の統合パッケージの実現や、大電流アーキテクチャにおいて低電流領域での性能向上が可能となります。
| 項 目 | 統合型 | コアベース型 | コアレス型 |
|---|---|---|---|
| 代表的な電流範囲 | 2A～400A | 20A～1000+ A | 100A～4000+ AA |
| 検出方式 | 電流がセンサ内を通過する。オールインワンのソリューションだが、熱的ボトルネックが最も大きい。 | 電流は部品の近くを流れるが、磁界は物理的なコアによって「捕捉」され、「整形」される。高精度だがかさばる。 | センサを導体の上方または近傍に配置する。物理的な接触はなく、かさばるコアも使用しない。大電流用途において、最も高い電力密度と最軽量化を実現できるソリューション。 |
| 主な利点 | 最小の実装面積。工場出荷時に校正済みで使いやすい。 | 高精度。コアによって外部磁界から本質的にシールドされている。 | 損失がない。超大電流用途で最も低コスト。磁気飽和/コアの飽和が発生しない。 |
| 主な欠点 | パッケージ内のI2R損失による熱的制限がある。 | かさばり、重く、高価で、磁気コアの飽和やヒステリシスの影響を受けやすい。 | 機械的な位置ずれ、PCB/バスバーの設計、および外部の漂遊磁界の影響を受けやすい。 |
| 絶縁方式 | 本質的にガルバニック絶縁。 レベルはパッケージによって異なる。 | 高いガルバニック絶縁。コアと導体の間隔によって決まる。 | 本質的に非接触。 導体のエアギャップ/絶縁によって決まる。 |
| 帯域幅 | 高帯域。100kHz～1MHz（TMRバージョンは最大5MHz）。 | 低～中帯域。コアの渦電流損失によって制限される。 | 高帯域。センサによって制限される。 |
| 精度/ドリフト | 高（工場出荷時にプログラム済み）。 | 高（コアの温度ドリフトおよびヒステリシスを考慮する必要がある）。 | システムに依存（最良の結果を得るには、システムレベルの校正が必要）。 |
| 消費電力 | 最大。内部リードフレームに電流が流れる。 | ごくわずか。センサICは絶縁されており、コア損失はごくわずか。 | ごくわずか。ICの消費電力はごくわずかで、電流はバスバーまたはPCBを流れる。 |