Układ pomiarowy prądu o podwyższonej temperaturze pracy, do prądowych sprzężeń zwrotnych w przekształtnikach energoelektronicznych

Obecnie trwają intensywne badania nad podwyższeniem temperatury pracy układów energoelektronicznych. Wynika to z perspektywy rozwoju przyrządów SiC, których temperatura złącza może osiągać 220 stopni Celsjusza. Nowoczesne układy energoelektroniczne będą pracowały w podwyższonej temperaturze, dzięki czemu możliwe jest zwiększenie ich częstotliwości łączeń, któremu towarzyszy generowanie większej ilości ciepła. Wyższa częstotliwość łączeń umożliwia użycie mniejszych elementów biernych filtrów stosowanych w przekształtnikach energoelektronicznych, czego konsekwencją będzie zmniejszenie masy i gabarytów przekształtników. Pociąga to za sobą obniżenie kosztów i masy układów przekształtnikowych. Zredukowanie gabarytów i wagi przekształtników wynika również z możliwości zastosowania mniejszych radiatorów. Zintegrowane układy, pracujące w podwyższonych temperaturach, będą ze względu na swoje zalety stosowane w aplikacjach mobilnych w szczególności w nowych układach napędowych samochodów hybrydowych (energoelektronika wysokotemperaturowa). Wymagają one jednak stosowania współpracujących układów podrzędnych takich jak czujniki wielkości elektrycznych, sterowniki tranzystorów i układy mikroprocesorowe odpornych na podwyższone temperatury.

Celem wnioskowanego projektu badawczego jest analiza metod i właściwości układów pomiaru prądu, które mogą działać w podwyższonej temperaturze otoczenia jako układy sprzężeń zwrotnych. Analizowane technologie czujnika prądu powinny być dobrane pod względem zastosowań i wymagań układów przekształtnikowych w zakresie amplitudy i rodzaju prądu (AC, DC), częstotliwości przełączeń przekształtnika i próbkowania cyfrowego układu sterującego, z którymi czujniki prądu współpracują.

Wstępny etap będzie obejmował badania symulacyjne z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania, pozwalającego na złożone symulacje zarówno pól magnetycznych, jak i wielkości elektrycznych. Przetestowane zostaną zarówno rozwiązania dostępne, jak i modyfikacje konstrukcji oraz wpływ wprowadzonych zmian. Zakładane jest przebadanie wpływu zmiany parametrów materiałów rdzenia magnetycznego, zmiany jego kształtu i wymiarów, jak również wpływ miejsca umieszczenia przewodnika z prądem w czujniku i zmiany parametrów obwodu elektrycznego. Przewidywane badania symulacyjne będą obejmowały wpływ zmiany częstotliwości na wszystkie modyfikacje układu. Badania symulacyjne pozwolą an wybranie grupy rozwiązań, które będą umożliwiały najlepsze i najpełniejsze wykorzystanie parametrów elementów, z których składa się czujnik.

W celu uzupełnienia i rozwinięcia oraz weryfikacji analizy i badań symulacyjnych będzie wykorzystane stanowisko laboratoryjne, pozwalające na wymuszenia prądów o zmiennej w szerokim zakresie amplitudzie i częstotliwości. Dotychczasowe stanowisko zostanie rozbudowane w sposób umożliwiający przeprowadzenie badań czujnika w wysokiej temperaturze. Wybrana na podstawie badań symulacyjnych grupa rozwiązań do analizy laboratoryjnej, która uwzględni badania termiczne, pozwoli na ostateczną weryfikację i stworzenie pełnego zestawu właściwości i cech czujnika prądu.