Neue Anforderungen an die Strommessung
Technologievergleich: Sensorik für die Leistungselektronik
Die steigende Leistungsdichte moderner Stromversorgungen – etwa in KI-Rechenzentren – treibt die Schaltfrequenzen leistungselektronischer Systeme massiv nach oben. Wide-Bandgap-Halbleiter wie GaN und SiC ermöglichen dies, stellen aber neue Anforderungen an die Strommessung. Ein Technologievergleich.
Die Entwicklung moderner Leistungselektronik ist maßgeblich von der steigenden Leistungsdichte geprägt. Besonders deutlich zeigt sich dieser Trend in KI-Rechenzentren. Der exponentiell steigende Energiebedarf lässt sich nicht mehr durch größere Serverflächen kompensieren. Stattdessen steigen die Leistungsdichten pro Rack von ehemals 10 bis 20 kW auf 100 bis 300 kW; Hyperscale-Architekturen planen perspektivisch sogar mit Megawatt-Racks.
Für die Stromversorgungen bedeutet das: mehr Leistung bei geringerem Volumen. Die größten Bauteile sind dabei Transformatoren und Induktivitäten. Deren Baugröße hängt maßgeblich von der Schaltfrequenz ab. Eine Erhöhung der Frequenz erlaubt kleinere magnetische Bauelemente und damit eine signifikante Volumenreduktion.
Mit dem Übergang von einigen zehn Kilohertz in den Bereich mehrerer hundert Kilohertz bis hin zu Megahertz-Frequenzen setzt sich der Einsatz von Wide-Bandgap-(WBG)-Halbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zunehmend durch. Diese Bauelemente ermöglichen hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten und stellen gleichzeitig neue Anforderungen an das Gesamtsystem.
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Mit steigender Schaltgeschwindigkeit verkürzen sich zudem die Flankenzeiten der Ströme und Spannungen erheblich. In modernen GaN- oder SiC-Leistungsstufen sind Stromanstiegsraten von mehreren hundert Ampere pro Mikrosekunde keine Seltenheit. Diese dynamischen Vorgänge wirken sich unmittelbar auf die Anforderungen an Messsysteme aus: Stromsensoren müssen nicht nur hohe Bandbreiten unterstützen, sondern auch sehr kurze Signalverzögerungen aufweisen, damit die gemessenen Werte im Regelkreis noch möglichst aktuell sind.
Das Bandbreiten-Paradoxon moderner Leistungselektronik
Die Erhöhung der Schaltfrequenz verkleinert zwar die Magnetik, verschärft jedoch die Anforderungen an die Stromregelung. Für eine stabile Regelung muss die Sensorbandbreite typischerweise das Drei- bis Zehnfache der Schalt- oder Resonanzfrequenz betragen, um Phasenverschiebungen im Regelkreis zu minimieren.
Ein System mit 300 kHz Schaltfrequenz benötigt folglich eine Sensorbandbreite zwischen 900 kHz und 3 MHz. Entscheidend ist hierbei nicht nur die Amplitudengenauigkeit, sondern insbesondere ein flacher und vorhersehbarer Phasenverlauf über den gesamten Frequenzbereich.
Hinzu kommt die deutlich geringere Kurzschlussfestigkeit moderner WBG-Bauelemente. Während klassische Silizium-Schalter Kurzschlüsse typischerweise für mindestens 5 µs tolerieren (Short Circuit Withstand Time, SCWT), liegt dieser Wert bei SiC im unteren einstelligen Mikrosekundenbereich und bei GaN im Bereich weniger hundert Nanosekunden.
Sensoren mit Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich sind daher nicht in der Lage, empfindliche GaN- oder SiC-Transistoren zuverlässig innerhalb ihres zulässigen Kurzschlusszeitfensters zu schützen.
Dieses Zusammenspiel aus steigender Frequenz und sinkender Kurzschlussfestigkeit wird häufig als „Bandbreiten-Paradoxon“ moderner Leistungselektronik beschrieben: Während schnellere Schaltvorgänge die Leistungsdichte erhöhen, wächst gleichzeitig der Bedarf an hochdynamischer Mess- und Schutztechnik. In der Praxis verschiebt sich damit ein Teil der Systemkomplexität von den Leistungshalbleitern hin zu den Mess- und Regelkomponenten.
Server-Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte
Moderne Hochleistungs-Servernetzteile setzen auf eine zweistufige Architektur, um hohe Leistungsdichten in normierten Bauformen wie dem M-CRPS-Format (265 mm × 73,5 mm) zu realisieren.
Totem-Pole-PFC-Stufe
Die erste Stufe übernimmt die Netzgleichrichtung und erzeugt einen stabilen Zwischenkreis (z. B. 400 V DC). Durch den Einsatz von WBG-Schaltern lässt sich die Schaltfrequenz von klassischen 65–100 kHz auf 1–2 MHz steigern. Dadurch kann das Volumen der Energiespeicherdrosseln um nahezu eine Größenordnung reduziert werden.
Diese hohe Schaltgeschwindigkeit erfordert jedoch eine deutlich schnellere Stromregelung. Der Stromsensor muss die ungefilterte Stromform mit minimaler Verzögerung erfassen. Jede zusätzliche Phasenverschiebung reduziert die Phasenreserve des Regelkreises der Stromregelung und gefährdet dessen Stabilität.
Gerade im Totem-Pole-PFC (Power Factor Correction) ist die Strommessung ein kritischer Bestandteil der digitalen Regelung. Moderne Controller berechnen die Ansteuerung häufig auf Basis hochauflösender Strommesswerte innerhalb weniger Mikrosekunden. Verzögerungen im Sensorsignal wirken sich daher unmittelbar auf die Genauigkeit der Leistungsfaktorkorrektur sowie auf die dynamische Lastregelung aus.
Isolierter LLC-Resonanzwandler
Die zweite Stufe – typischerweise ein LLC-Resonanzwandler – transformiert die Zwischenkreisspannung auf 48 V Rackspannung. Der Wandler arbeitet mit frequenzvariabler Ansteuerung, um Zero-Voltage-Switching (ZVS) über einen weiten Lastbereich zu gewährleisten.
Mit WBG-Schaltern lässt sich die Resonanzfrequenz von etwa 100 kHz auf 400 kHz bei Volllast erhöhen. Bei Teillast kann die Frequenz dynamisch bis zu 1,5 MHz ansteigen. Der Transformator lässt sich dadurch um rund 75 % verkleinern – ein erheblicher Vorteil hinsichtlich PCB-Fläche und Bauhöhe.
Der Stromsensor ist hier integraler Bestandteil des schnellen Regelkreises. Er muss eine Bandbreite im mehrstelligen MHz-Bereich sowie ein gut kontrolliertes Phasenverhalten aufweisen, um die Stabilität des ZVS-Betriebs über den gesamten Arbeitsbereich sicherzustellen.
Grenzen klassischer Strommessverfahren
- Shunt-Widerstände
Shunt-basierte Messungen sind in Hochfrequenz-WBG-Systemen problematisch. Die parasitäre Induktivität – typischerweise einige hundert Pikohenry bis wenige Nanohenry – interagiert mit den hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten (di/dt) der WBG-Schalter. Es entstehen Spannungsspitzen, die das Messsignal verfälschen.
Zur Dämpfung sind aggressive RC-Filter erforderlich, die jedoch zusätzliche Phasenverzögerungen einführen und die Regelstabilität beeinträchtigen.
In Hochvolt-Systemen ist zudem eine galvanische Isolation erforderlich. Eine vollständig isolierte Shunt-Lösung mit Verstärker, Filterstruktur und isolierter DC/DC-Versorgung (häufig als Flyback ausgeführt) kann über 2000 mm² Leiterplattenfläche beanspruchen und mehr als 16 diskrete Bauteile erfordern.
Die Verlustleistung skaliert quadratisch mit dem Strom (P = I²R). Oberflächentemperaturen von 80 °C sind keine Seltenheit und erfordern häufig zusätzliche Kühlkörper, was das thermische Gesamtdesign erschwert.
Zusätzlich führt die Verlustleistung zu einer lokalen Erwärmung des Shunts, wodurch sich dessen Widerstandswert temperaturabhängig verändert. Ohne aufwendige Kalibrier- oder Kompensationsmaßnahmen kann dies zu Messabweichungen führen, insbesondere bei hohen Strömen und dynamischen Lastprofilen.
- Stromwandler (Current Transformer, CT)
Stromwandler bieten hohe Bandbreiten, sind jedoch baulich dominant und oft das höchste Bauteil auf der Leiterplatte. Sie sind ausschließlich für Wechselstrom geeignet und können keine Gleichstromanteile erfassen – ein klarer Nachteil in Totem-Pole-PFC-Topologien.
DC-Vorspannungen oder hohe Stromtransienten können den Kern in Sättigung treiben. Dies führt zu nichtlinearen Verzerrungen, Signal-Clipping und Hystereseeffekten.
Ein weiteres Risiko besteht bei offenem Sekundärkreis: Der Stromwandler arbeitet dann im Spannungsmodus und kann Transienten im Kilovoltbereich erzeugen, die nachgelagerte Logik- oder MCU-Stufen beschädigen.
- Klassische Hall-Sensoren
Integrierte Hall-Stromsensoren stoßen bei etwa 1 MHz an eine physikalische Bandbreitengrenze. Ursache sind unter anderem die Chopper-Stabilisierungsverfahren zur Reduktion von Offset und Drift, die Verzögerungen im Signalpfad verursachen.
Das Hall-Element selbst erzeugt nur sehr kleine Spannungen (typisch einige zehn Mikrovolt pro Gauß). Eine hohe interne Verstärkung ist erforderlich.
Da das RMS-Rauschen proportional zur Quadratwurzel der Bandbreite ansteigt, verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei hohen Frequenzen. Entwickler müssen entweder ein erhöhtes Rauschniveau akzeptieren – mit der Gefahr von Fehlabschaltungen – oder durch externe Filterung die effektive Bandbreite reduzieren.
Magnetische Stromsensorik für hohe Bandbreiten
- Dual-Path-Architektur für breitbandige Strommessung
Die Dual-Path-Architektur kombiniert zwei physikalisch unterschiedliche Messprinzipien auf einem monolithischen Chip:
- ein Hall-Pfad für DC- und niederfrequente Ströme
- eine integrierte Induktionsspule für hochfrequente Stromanteile
Der induktive Pfad profitiert physikalisch davon, dass sein SNR mit steigender Frequenz zunimmt. Beide Signalpfade werden intern summiert und liefern ein kontinuierliches analoges Ausgangssignal von DC bis 5 MHz.
Die Herausforderung bei dieser Architektur liegt in der präzisen Abstimmung der beiden Signalpfade. Übergangsbereiche zwischen Hall- und Induktivpfad müssen so gestaltet sein, dass keine Sprünge im Frequenzgang oder Phasenverlauf entstehen. Moderne Sensor-ICs integrieren hierfür spezielle Signalverarbeitungsstufen, die beide Pfade kontinuierlich miteinander verschmelzen.
- TMR-Technologie für schnelle und rauscharme Strommessung
TMR-Sensoren nutzen einen quantenmechanischen Effekt, der eine besonders vorteilhafte Kombination aus hoher Geschwindigkeit und niedrigem Rauschen ermöglicht. Das Sensorelement besteht aus einer geschichteten magnetischen Struktur, bei der zwei Schichten durch eine ultradünne isolierende Barriere voneinander getrennt sind. Wenn ein externes Magnetfeld die magnetischen Schichten ausrichtet, können Elektronen diese Barriere durch quantenmechanisches Tunneln überwinden, was zu einem starken Abfall des elektrischen Widerstands führt.
Ein TMR-Element erzeugt ein natives Signal im Bereich von etwa 1 bis mehreren zehn Millivolt pro Gauß (mV/G) und damit um Größenordnungen höher als ein Hall-Element. Diese hohe intrinsische Empfindlichkeit verändert die Anforderungen an die analoge Front-End-Schaltung grundlegend.
Durch den geringeren Bedarf an hochverstärkenden Signalstufen kann die TMR-Technologie das grundlegende Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) um bis zu den Faktor 20 verbessern. Dieser Vorteil ermöglicht es modernen TMR-Sensoren, beispielsweise Bausteine wie der ACS37100, eine analoge Bandbreite von bis zu 10 MHz sowie Ansprechzeiten von unter 50 ns zu erreichen – bei einem sehr niedrigen RMS-Rauschstrom von nur etwa 26 mA RMS.
Das saubere, hochauflösende Signal erlaubt die zuverlässige Erkennung kleiner Stromänderungen ohne aufwendige Filterung. Gleichzeitig liefert es die Echtzeit-Rückmeldung und schnelle Hardware-Fault-Signale, die Controller benötigen, um empfindliche GaN- und SiC-Schalter innerhalb ihres sehr kurzen zulässigen Kurzschlusszeitfensters zuverlässig zu schützen.
Fazit: Stromsensorik als Enabler moderner Leistungselektronik
Mit steigenden Schaltfrequenzen und Leistungsdichten wird die Strommessung vom Nebenparameter zur zentralen Systemgröße. Klassische Verfahren – Shunts, Stromwandler und konventionelle Hall-Sensoren – geraten hinsichtlich Bandbreite, Phasenverhalten, Bauraum und Verlustleistung an ihre Grenzen.
Moderne magnetische Architekturen wie Dual-Path- und TMR-basierte Sensoren adressieren dieses Bandbreiten-Paradoxon. Sie liefern mehrstellige MHz-Bandbreiten, kurze Reaktionszeiten im Nanosekundenbereich und ein definiertes Phasenverhalten – bei gleichzeitig kompakter Bauform.
Damit wird die Strommessung zum entscheidenden Enabler hochdichter WBG-Leistungssysteme in KI-Rechenzentren, industriellen Hochleistungsanwendungen und zukünftigen energieintensiven Infrastrukturen.
Der Autor: Matt Hein ist Business Line Director bei Allegro MicroSystems
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