TMRセンサー：小型部品で機能を向上
TMRセンサー素子は、2つの強磁性層の間に挟まれた、極めて薄いナノメートルレベルの非磁性絶縁層で構成されています。
現在、磁場を比例電圧に変換できるいくつかの技術が利用可能です。 磁気センサー は、磁気エンコーダー、eコンパス、絶対角度センサー、単純なオン/オフスイッチ、電流検出など、さまざまな分野での異なる用途に使用されています。
ホール効果は、1879年にエドウィン・ホールによって初めて発見されて以来、固体磁気センサーを構築するために長年にわたり成功裏に広く使用されてきました。しかし、いくつかの制限に達しており、システム設計者は低消費電力、高感度と高精度、そして手頃なコストなどの目標要求を達成できる新しい技術を開発する必要に迫られています。
これらの要件を満たすことができる新技術は、磁気抵抗 (MR) 効果に基づいています。これは、鉄、ニッケル、コバルトなどの材料が磁場の下でその電気的な値を変化させる性質を持つことを指します。材料の磁化を変化させることで、電子がその内部を移動する方法が変わり、それによりデバイスの電気抵抗が変化します。MR 効果は、磁性材料の内部がどのように磁化されているかによって異なる特徴を持ちます。
MRから派生した新しい技術が、1990年代に宮﨑照宣教授によって発見されたトンネル磁気抵抗（TMR）効果です。 図1に示されているように、TMRセンサー素子は、2つの強磁性層の間に挟まれた極めて薄いナノメートルレベルの非磁性絶縁層で構成されています。電子は、1つの強磁性層からもう1つの強磁性層へ絶縁層を通り抜けます。これは量子力学が作用している例です。2つの強磁性材料の磁化方向が平行のときは抵抗が減少し、反平行のときは抵抗が増加します。
2つの強磁性体とトンネル層で構成されたTMR接合（出典: Crocus Technology）
図 1
Crocus XtremeSense TMRテクノロジー
Crocus Technologyは、特許取得済みのXtremeSense TMR技術に基づいた磁気センサーを、産業用および民生用電子機器のアプリケーション向けに幅広く提供しています。XtremeSense TMR技術は、統合磁気スイッチや電流センサーを含むCrocus磁気センサーファミリーの中核を成しています。
Crocusによると、XtremeSense TMRテクノロジーが提供する主な利点は次のとおりです:
- 高SNR（電流センサーにおける5mAの分解能）
- 低消費電力（スイッチで110 nA）
- 温度安定性（40ppm/°C以下）
「電流検知の需要は引き続き増加しており、特により高速で、より正確で、遅延が少ないアーキテクチャが求められています。その点で、Crocusデバイスの導入が際立っています。」と、Crocus Technologyのセールス＆マーケティング副社長であるTim Kaskeは述べました。
TMR は、電流センサーとして使用できるいくつかの特性を提供します。TMR 効果により、TMR センサーの抵抗は外部磁場に応じて変化します。最先端の CMOS 回路と組み合わせることで、TMR ベースのセンサーは優れた線形性と熱性能を備えた高 SNR センサーとして使用することができます。これらの TMR センサーの特性により、接触または非接触の電流センサーとして使用することが可能です。
TMRセンサーのアプリケーション
正確で信頼性の高い電流検知ソリューションが求められる主要なTMRセンサーの応用は、力率改善（PFC）であり、これは多くの電力アプリケーション（電源など）で効率を向上させるために必須となっている回路です。同じ理由で、ヨーロッパにおけるEN61000-3-2などの国際規制によっても要求されています。PFCステージを含む電源は、力率改善がないものよりも高い出力負荷電流を供給できます。PFCは交流電流ハーモニクスを大幅に減少させ、電圧波形と同期した「基本的」な電流周波数だけをほぼ残すことが可能です。
「私たちは、主要な注力分野の1つとして[TMRセンサー]アプリケーションがどのように進化しているかを真に理解しています。特に、GaN MOSFETを使用したCCMトーテムポールPFCに注目しています」とKaske氏は述べました。「PFCステージは過去10年間で多くの更新がされていないと言えるでしょう。しかし現在、トーテムポールアーキテクチャとそれをサポートできる新しいコントローラーにより、新たな機会が開かれています。例えば、EVのオンボードおよびオフボード充電器、コンピューティング、データセンターなどです。」
「ホールベースのセンサーを使用して電流検出を行っていた他のエンジニアたちは、私たちが精度、帯域幅、遅延、そして全体的な効率においてシステムにかなりの利点を提供できることに気付き始めています」と、Kaskeは述べました。
典型的なアクティブPFCのブロック図は 図2 に示されています。ダイオードブリッジは入力AC電圧をDC電圧に変換し、PFCステージはラインとメインコンバーターの間に挿入されます。このステージはプリコンバーター（通常は昇圧コンバーター）として機能し、電源から正弦波状の電流を引き出し、出力にDC電圧を供給します。
一般的なアクティブPFCステージの図（出典: Crocus Technology）
図 2
CCMトーテムポールPFC、図3に示されているように、2つのGaN MOSFET、S1およびS2を高周波ハーフブリッジとして構成しています。S3およびS4は同期型MOSFETとともにライン周波数主導で動作します。このソリューションを採用する主な利点は、高効率、低電力損失、そして部品数の削減です。高周波ソフトスイッチングソリューションには潜在的な連鎖障害を防ぐために高速な過渡を検出できる電流センサーが必要です。この回路では、正の半周期および負の半周期における電流を検出するために、双方向電流センサー(iL)を1つだけ使用します。
CCM トーテムポール PFC (出典: Crocus Technology)
図3
TMRセンサー vs. ホールベースセンサー (出典: Crocus Technology)
図4
Crocusによると、XtremeSense TMRセンサーはこのアプリケーションに最適なソリューションであり、以下の特徴を提供します:
- 高SNRとコントローラーへのクリーンな信号
- 電流が流れる導体による低損失
- 測定用として、低位相遅延と高速な出力応答時間（300 ns）を備えた1 MHzの帯域幅
- MCUに電流情報を提供するためのプログラム可能な過電流検出およびフォルトピン
- 双方向検知による正および負の電流の測定
- 高電圧アイソレーション (5 kV) により安全性を確保
「私たちが大きな可能性を見込んでいるもう一つの市場は、太陽光発電です。このセクターでは 電流トランスが、高い安全性と良好な絶縁性を提供するため、広く使用されています」とKaske氏は述べています。「この市場では、非接触型電流センサーを使用して、同等またはそれ以上の絶縁性と精度を提供しながら競争することができると考えています。」
リストに載っていますか？
限定オファー、製品発表、最新の業界ニュースを受け取るためにサインアップしてください。
記事タグ
