El mercado de la electrificación gana impulso gracias a los sensores de corriente integrados basados en TMR

Thomas Hargé, Vicepresidente Global de Gestión de Productos de LEM

LEM anunció recientemente una nueva colaboración con TDK para el desarrollo de una nueva generación de sensores de corriente integrados, basados en la magnetorresistencia de túnel (TMR, por sus siglas en inglés) y destinados a aplicaciones de electrificación. Este anuncio refleja el rápido crecimiento que experimenta la demanda de tecnologías de detección de corriente, que requiere a su vez un gran número de productos económicos. Hemos conversado con Thomas Hargé, Vicepresidente Global de Gestión de Productos de LEM, para preguntarle acerca de las tendencias del sector y cómo esta alianza con TDK puede añadir valor a los clientes.

¿Qué efecto ha tenido la actual tendencia hacia la electrificación sobre el mercado y las tecnologías de detección de corriente?

La descarbonización global es un factor muy importante ya que muchos países de todo el mundo se están embarcando nada menos que en una revolución de la electrificación. Nos dirigimos inexorablemente hacia un planeta electrificado y esto tiene consecuencias sobre muchos mercados.

Uno de los segmentos que se ven más influidos por este proceso es sin duda la electrificación de los vehículos. El transporte ha contribuido enormemente a las emisiones excesivas de CO₂ y se prevé que el sector de automoción represente la mitad de todo el mercado de sensores de corriente en los cinco próximos años. Esto supone un cambio radical debido a los avances tecnológicos que será necesario desarrollar en un plazo muy corto.

¿Cómo ha adaptado LEM sus productos o estrategias a esta la tendencia hacia la electrificación?

Desde los inicios de la electrónica de potencia, LEM ha estado desarrollando tecnologías de detección de corriente para los sectores ferroviario, industrial y de automoción. La empresa siempre ha trabajado muy estrechamente con sus clientes en los principales mercados, optimizando las tecnologías existentes y participando en el diseño de soluciones junto con los usuarios finales.

Al menos durante la pasada década, LEM ha desarrollado sensores de corriente para aplicaciones específicas y destinados a vehículos eléctricos (VE) e híbridos eléctricos (VHE). Ante la aceleración del mercado, LEM se ha centrado en trabajar con los clientes para mejorar la integración de estos sensores en inversores, cargadores a bordo (OBC) – que convierten CA a CC para cargar el pack de baterías de un vehículo – y sistemas de gestión de baterías (BMS).

¿Podría explicar los diferentes requisitos técnicos para la detección de corriente en varias aplicaciones y qué tendencias están surgiendo?

El tamaño siempre ha sido un factor relevante debido a las limitaciones de espacio que caracterizan a un VE. Además todos los componentes deben tener un tamaño mínimo para que el vehículo sea lo más ligero posible con el fin de minimizar el consumo de energía y de alargar la distancia que pueden recorrer los coches entre cargas.

La mejor integración en los sistemas del cliente suele posibilitar el desarrollo de soluciones revolucionarias en el ámbito de los semiconductores. Por eso LEM ha destinado importantes inversiones desde 2017 a sus capacidades de desarrollo de semiconductores con el fin de desarrollar sensores de corriente integrados (ICS). Consisten básicamente en “un sensor de corriente en un chip” y permiten a los usuarios construir sistemas más pequeños.

También se pueden desarrollar sistemas de conversión de potencia de menor tamaño utilizando carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN). Estos nuevos transistores pueden conmutar con más rapidez y permiten a los usuarios reducir el tamaño de los componentes magnéticos, como las bobinas de choque. Como consecuencia de ello, los sensores de corriente han de ser mucho más rápidos e inteligentes que antes y deben ofrecer la posibilidad de medir corrientes de mayor frecuencia.

La integración es de nuevo la clave para que los diseños sean compactos, de modo que la función de detección de corriente ocupe cada vez menos espacio. También existe una creciente integración del software con el fin de simplificar el funcionamiento, proporcionar funciones adicionales y minimizar la cantidad de hardware instalado en un VE.

Por último, pero no por ello menos importante, varias aplicaciones de automoción exigen medir la corriente de forma “segura”. Por eso LEM ha desarrollados sensores conformes a ISO26262 entre cuyos niveles de seguridad se encuentran la gestión de calidad (QM) y ASIL (Automotive Safety Integrity Level) C.

¿Cómo logra LEM estar a la delantera para cumplir las cambiantes exigencias técnicas en diferentes aplicaciones?

Trabajar con los clientes y desarrollar con ellos soluciones innovadoras es vital para ir por delante del mercado y ser capaces de cubrir la demanda. Como he señalado antes, la inversión de LEM en tecnología de semiconductores ha permitido a la empresa acelerar la miniaturización de sus sensores.

Para LEM, la inversión en nuevas tecnologías de detección como la magnetorresistencia de túnel (TMR) a través de su colaboración con TDK ha permitido a la empresa desarrollar sensores más rápidos, exactos y con un menor consumo. Al mismo tiempo, LEM ha realizado inversiones significativas en software para que los sistemas que desarrolla sean más avanzados que sus predecesores. Algunos ejemplos de esta inversión son un centro de I+D en Lyon (Francia) y el establecimiento de un equipo en Bulgaria.

¿Cómo valora LEM el mercado actual de detección de corriente?

Durante los últimos años, LEM ha observado cómo el crecimiento del mercado de la automoción, por su mayor grado de electrificación, ha atraído a varias empresas de la industria de semiconductores que están ampliando su presencia en el sector. También se ha registrado cierto crecimiento en el número de fabricantes clásicos de nivel 2 en el sector de la automoción (como los fabricantes de componentes que suministran sus productos a los fabricantes de automóviles) que proporcionan algunas soluciones.

¿Qué estrategias emplea LEM para seguir siendo competitiva y adaptarse a la dinámica cambiante del mercado?

Junto con los esfuerzos antes descritos de tipo tecnológico, LEM es la única empresa del sector especializada en sensores de corriente. Como resultado de ello, la empresa cuenta en la actualidad con un amplio catálogo de sensores de corriente, lo cual significa que ha sido capaz de elegir la tecnología adecuada para cada nuevo reto. TMR es otra tecnología que ampliará este catálogo de soluciones. Además, LEM ha acumulado un enorme nivel de conocimientos en el ámbito de la medida de corriente. Esto ha sido fundamental para que los ingenieros de LEM desarrollaran sensores exactos y fiables en las aplicaciones de los clientes.

¿Cómo se posicionan los sensores de corriente integrados (ICS) de LEM como solución a los retos de dispositivos “más pequeños, avanzados e inteligentes”?

LEM considera que los ICS son la evolución natural de los sensores de corriente. De hecho, los sensores integrados son en realidad versiones reducidas de sus predecesores. Algo que a menudo no se comprende es que todos los retos relacionados con la medida de corriente aumentan con la miniaturización. Esto significa que las empresas de este sector deben tener grandes conocimientos y una larga experiencia acerca en parámetros críticos como di/dt, dV/dt y descargas parciales, por citar tan solo unos pocos.

¿Puede ofrecernos ejemplos de cómo la tecnología ICS afronta determinados retos del mercado?

Una de las principales cualidades de los ICS es su tamaño. Por ejemplo, una aplicación típica en la que un sensor tradicional de LEM sería demasiado grande sería una bicicleta eléctrica. Gracias a la tecnología ICS, los sensores 8-SOIC (3,90mm de anchura) como los transductores de efecto Hall GO 20 SME ahora son lo bastante pequeños como para adaptarse al motor de una bicicleta eléctrica, proporcionando además un control preciso del par. Los sensores con un perfil extremadamente bajo incorporan una separación galvánica entre los circuitos primario y secundario, una tensión de prueba de aislamiento de 2500V RMS y bajo consumo. También destacan por su alta inmunidad frente a interferencias externas, capacidad de aislamiento superior, histéresis magnética nula y baja resistencia eléctrica (0,9 mΩ).

Dentro de su gama de sensores integrados, ¿cómo utiliza LEM la tecnología TMR para abordar los retos que plantea cada aplicación?

La mayoría de los ICS actuales utilizan elementos Hall para detectar el campo magnético generado por la corriente a medir. Tras destinar muchos años a mejorar los sensores Hall, LEM había llegado a un punto en el que mejorar un parámetro (como por ejemplo la velocidad) ponía a otros en compromiso (como la exactitud y el consumo). La gran ventaja de TMR es que proporciona los tres al mismo tiempo: mejor velocidad y exactitud, y menor consumo. Se han eliminado los compromisos y esto facilitará mucho cumplir los requisitos de cada aplicación.

¿Qué aplicaciones resultan más beneficiadas con la tecnología TMR, y por qué?

Los cargadores instalados a bordo de los VE serán la primera aplicación en aprovechar la tecnología TMR porque necesitan medir corrientes con mucha rapidez. En segundo lugar estarán los inversores solares, donde los sensores de corriente integrados proporcionan una excelente deriva del offset respecto a la temperatura (que es fundamental en la parte de CA).

¿Cómo contribuye el acuerdo con TDK a mejorar la capacidad de LEM de llevar soluciones al mercado?

TDK ha desarrollado a lo largo del tiempo muchos conocimientos especializados en la tecnología TMR. La combinación de los conocimientos de la empresa sobre TMR y la experiencia de LEM en el desarrollo de ICS permitirán establecer una nueva referencia pare el rendimiento de ICS en cargadores a bordo, inversores solares y otras aplicaciones como la movilidad autónoma. LEM seleccionó a TDK porque su tecnología es la mejor y por su fiabilidad de suministro, su calidad en automoción y a la madurez de su proceso. Esta colaboración ha permitido crear un sensor basado en TMR que es más rápido, exacto y con menos ruido que las soluciones existentes.

¿Cómo contribuye la colaboración con TDK al plazo de comercialización y a mejorar la fiabilidad y la calidad de las soluciones de LEM?

Hacen falta muchos años para desarrollar una buena TMR y un ICS de máxima calidad. Al unir sus fuerzas, ambas empresas aprovecharán sus tecnologías existentes para acortar significativamente el tiempo que tardaría cualquiera de las dos en comercializar un producto innovador de primera categoría. TDK desarrolla circuitos TMR sin encapsular para LEM, que los incorpora a sus sensores de corriente integrados para los sectores antes citados. El mercado de sensores de corriente necesita productos económicos en grandes cantidades y esta colaboración desde luego estará en condiciones de suministrarlos.