基于AlScN薄膜的SAW磁场传感器，用于开关电源转换器的滞环电流控制
2022-09-17 07:42:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

作为关键的检测元器件，电流传感器在多种应用中必不可少，例如电源转换器控制、电能计量、电机驱动和过流保护等。除了对电流传感器的电气要求（例如带宽、动态范围和直流能力）之外，尺寸、成本、非侵入性和电隔离测量等因素，也决定了其在各种应用中的适用性。

据麦姆斯咨询报道，近日，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）、弗劳恩霍夫硅技术研究所（ISIT）等机构研究人员开发出一种基于掺钪氮化铝（AlScN）薄膜的声表面波（SAW）磁场传感器，可用于开关电源直流-直流（DC-DC）转换器的滞环电流控制。相关研究成果已发表于IEEE Sensors Letters期刊。

通过SAW磁场传感器测量靠近电流迹线的磁通密度是实现隔离测量的方法之一，通常有两种设计思路，利用谐振器或者延迟线。在这项研究中，科研人员采用延迟线的设计方式，增加了SAW与传感区域的相互作用面积，其传感原理是利用磁致伸缩薄膜（例如FeCoSiB）的磁弹性效应，杨氏模量被外部磁场（ΔE效应）改变，引起SAW相速度的变化。利用高频正弦信号激励延迟线一个端口上的叉指换能器（IDT），并测量到延迟线另一个端口上的相移（信号延迟），从而给出电流引起磁场感应的传感器信号。

该SAW磁场传感器基于AlScN薄膜，其中Sc相对含量较高：32%，在低成本的8英寸硅衬底上制造而成，SAW延迟线顶部有FeCoSiB磁致伸缩薄膜。该器件具有直流和双向电流测量能力（源自电流迹线周围的磁通密度），在电流迹线上方以电气隔离方式运行。利用永磁体作为磁偏置，该装置的可用双向电流范围为± 5 A。利用相位检测器IC测量延迟线传感器在296 MHz条件下，19 dBm输入信号和35 dB衰减输出信号之间的相移。有源传感器区域与电流迹线的距离为2.5 mm。在1.2 mT偏置条件下，该传感器能够以18.28°/mT的灵敏度和高达± 5 A的双极电流范围运行。该传感器信号由模拟滤波器增强，以补偿来自延迟线和读出电路超过1 µs的信号延迟。

开关电源转换器、SAW磁场传感器、磁铁和相位检测器

磁通密度决定相位变化

研究人员将该SAW磁场传感器作为模拟滞环电流控制环路的输入端，使用基于氮化镓（GaN）的48 V半桥DC-DC转换器和16 kHz的三角电感电流演示了滞环电流控制操作。

DC-DC转换器、滤波器和滞环电流控制示意图

开关电源波形：电感电流峰值/谷值（虚线），节点电压（橙色）和输出电压（黑色）

电感电流（用参考探头测量）与SAW磁场传感器滤波信号的对比图

研究表明，基于AlScN薄膜的SAW磁场传感器非常适合电力电子设备的电流传感和控制应用。这项研究提出的SAW磁场传感器具备优异的直流能力、电隔离测量性能、带宽和灵敏度，加之其可以在大尺寸硅衬底上实现低成本制造，未来发展前景广阔。

该项研究获得弗劳恩霍夫内部项目计划以及德国研究基金会（DFG）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1109/LSENS.2022.3205853

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》