Hochspannungsisolation ist nicht unbedingt eine neue Technik. Sie erlebt aber im Zeitalter der Elektroautos mit Hochspannungssystemen ein Revival in völlig neuen Komponenten. In der Automobilbranche vollzieht sich gerade ein Wandel in Richtung Fahrzeugelektrifizierung, wo Hochspannungsisolation zu grundlegenden Veränderungen der Fahrzeugarchitektur und einiger ihrer bedeutenden Komponenten führt.
CANbus und Stromerfassung zählen zu den sichtbarsten Bereichen für die Umstellung auf Hochspannungssysteme. Derartige Systeme erfordern zwingend eine Isolierung zur Verhinderung, dass Spannungen vom DC-Bus und unkontrollierte Transienten zwischen zwei Punkten fließen. Bei hybridelektrischen Fahrzeugen (HEVs) kommt es beispielsweise entscheidend darauf an, dass die an 12 Volt beriebenen Komponenten gegen solche an 48 V oder noch höheren Spannungen abgeschottet sind.
Hochspannungssysteme finden mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) immer größere Verbreitung. Bei Betriebsspannungen von 400 V, 800 V oder noch mehr wird das Thema Isolation zu einer noch entscheidenderen Designüberlegung. So überrascht es nicht, dass fortschrittliche Isolations-ICs in zahlreichen Einsatzfeldern bei modernen Elektrifizierungsdesigns benötigt werden.
Die halbleiterbasierten Isolationslösungen bieten erhebliche Vorteile im Vergleich zu traditionellen Optokopplern. (Quelle: onsemi)
Deshalb arbeiten Ingenieure bei Fahrzeugherstellern (OEM) und Tier-1-Zulieferern an der Entwicklung der Isolationstechnologie und dem Verständnis ihrer Bedeutung für das System. Dies beinhaltet beispielsweise auch, wie die Isolation die Handhabung von Hochspannungskomponenten wie MOSFETs, IGBTs, Gate-Treibern und Siliziumkarbid-Bauteilen (SiC) im Automobilbereich und in der Industrie beeinflusst.
Der vorliegende Artikel beleuchtet die Auswirkung der Isolationstechnologie auf diese Hochspannungskomponenten und zeigt, wie diese über große Temperaturschwankungen hinweg gegen Spannungsspitzen geschützt werden. Dies gilt insbesondere, weil die ständig wachsenden Leistungsdichten aus der Erhöhung der Wattleistungen schwierige Bedingungen in Bezug auf Wärme und elektrische Störungen nach sich ziehen.
Halbleiterrelais
In diesem neuen Paradigma für Hochspannungsdesigns bieten halbleiterbasierte Isolationslösungen erhebliche Vorteile im Vergleich zu den hergebrachten Lösungen mit Optokopplern. Dadurch werden die traditionellen Optokoppler immer mehr durch halbleiterbasierte Isolationsprodukte ersetzt, die sich durch eine höhere Surge-Leistung, bessere Zuverlässigkeit und einfache Integration auszeichnen.
Halbleiterrelais (Solid State Relays, SSRs) können beispielsweise Stromverbraucher durch eine einzelnen Isolationsbarriere innerhalb von Mikrosekunden verbinden und trennen, um einen sichereren Betrieb von Hochspannungssystemen in Automobilen zu gewährleisten. Bei elektromechanischen Relais liegt die Geschwindigkeit dagegen im Millisekundenbereich.
Halbleiterrelais kommen ohne mechanische Bauteile aus. Sie sind gewöhnlich für einfache Ein- und Ausschaltfunktionen beim Anlegen eines externen Steuersignals ausgelegt. (Quelle: Sensata Technologies)
Im Gegensatz zu elektromechanischen Relaislösungen vereint ein Halbleiterrelais oder SSR die Funktionen von isolierter Spannungsversorgung, Digitalisolator und Gate-Treiber in einem einzigen Baustein. Durch die Integration von Spannungsversorgung und Signalübertragung in einem einzigen Chips kann ein SSR damit mindestens drei Komponenten überflüssig machen und dadurch nicht nur die Größe erheblich reduzieren, sondern auch die Stücklistenkosten.
Als Beispiel seien die Halbleiterrelais SSR-240A50 und SSR-240D125 von TE Connectivity, die sich durch geringes akustisches Schaltgeräusch und eine lange Lebensdauer auszeichnen. Als Nächstes bietet Sensata Technologies ein Sortiment an SSR-Bausteinen zur Lösung der Isolationsprobleme bei Schaltungen in der Automobilbranche und in der Industrie.
Andere SSR-Ausprägungen vereinfachen ebenfalls die Spannungs- und Signalisolation über eine einzige Barriere, beispielsweise isolierte Treiber und Schalter. Dadurch kann ein isolierter Schaltertreiber gemeinsam mit einem Akkupack-Monitor etwaige Isolationsfehler in Batteriemanagementsystemen (BMS) für 400 V und 800 V schneller und genauer erkennen als Halbleiter-Fotorelais.
Isolierte Schaltertreiber können im Vergleich zu Lösungen mit traditionellen Halbleiter-Fotorelais die Designgröße dank der Integration von Signal-Feldeffekttransistor und Widerständen erheblich verringern. Darüber hinaus ermöglichen diese Hochspannungs-Isolationsbausteine möglicherweise auch den Wegfall eines Reed-Relais.
Bei der Verstärkung der Hochspannungsisolation sind zwar SSRs sowie auch isolierte Treiber und Schalter am sichtbarsten, aber andere Komponenten spielen eine ebenso wichtige Rolle. Der nachfolgende Abschnitt stellt einige dieser Komponenten und ihre zugrunde liegende Technologie vor, um deren Nutzung für verschiedene Systeme zu zeigen, die isoliert werden müssen.
Andere Komponenten zur Hochspannungsisolation
Neben den SSTs sowie isolierten Treibern und Schaltern, die mit diesem Einsatzbereich in Verbindung gebracht werden, können auch andere Komponenten zur Lösung komplexer Isolationsherausforderungen beitragen, wenn Designs in der Automobilbranche und in der Industrie immer höhere Spannungen und Ströme nutzen.
Beginnen wir mit Digitalisolatoren. Mit ihnen können Ingenieure Niederspannungsschaltungen besser von Hochspannungsereignissen in HEV- und EV-System abschirmen, wodurch keine integrierten Kühlsysteme mehr erforderlich sind, um Temperaturen unter 125 °C zu halten. Als Beispiel seien HEV-Systeme mit 48 V genannt. Durch das Vorhandensein von Verbrennungsmotoren und Batteriesystemen kann sich hier die Luft im Umfeld von ICs über 125 °C, erwärmen. In solchen Hochtemperaturbereichen lassen sich Digitalisolatoren einsetzen, ohne die Stückliste oder die Designkomplexität zu vergrößern.
Ein Digitalisolator, der CMOS und eisenkernlose Transformatoren auf einem einzigen Baustein vereint, unterstützt mehrere Signalpfadkanäle. (Quelle: Analog Devices Inc.)
Bei der Handhabung von CAN-Kommunikation in Automobiltechnik-Designs können Ingenieure den Schutz und die Reichweite der Signale im Fahrzeug durch den Einsatz von Digitalisolatoren erhöhen. Diese Isolationsbausteine ermöglichen Ingenieuren auch die Gewährleistung der Zuverlässigkeit in Antriebsstrang- und HLK-Systemen, bei denen Signale über eine Isolationsbarriere in HEV- und EV-Subsystemen übertragen werden müssen, etwa Startergeneratoren, Kühlerlüftern oder Traktionsumrichtern.
Skyworks Solutions bietet mit dem SI8660BD-AS einen für Automobile zugelassenen Digitalisolator mit Isolationsnennwerten von 2,5, 3,75 und 5 kV sowie einem auswählbaren eigensicheren Betriebsmodus zur Steuerung der Standard-Ausgangszustände im Falle eines Stromausfalls an.
Ein anderes Produkt ist der Digitalisolator ADUM1310ARW von Analog Devices Inc. (ADI). Er eignet sich zur Lösung von Designproblemen wie etwa nichtlinearen Übertragungsfunktionen, die gewöhnlich mit Optokopplern in Verbindung gebracht werden. Er macht ferner auch externe Treiber und andere diskrete Komponenten überflüssig. Gleichzeitig bietet er den Vorteil eines erheblich geringeren Stromverbrauchs.
Kommen wir als Nächstes zum NCID9411R2, einem vierkanaligen Digitalisolator von onsemi, dessen galvanische Off−Chip-Kondensator-Isolationstechnologie eine hohe Trennung und Störfestigkeit gewährleistet. Dies ermöglicht die Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Isolatorbarriere von > 0,5 mm, was im Bereich des früher von Optokopplern Erreichbaren liegt.
Wenn es um Hochspannungsisolation geht, sind auch isolierte Komparatoren erwähnenswert. Sie vereinen die Funktionen gewöhnlicher Komparatoren mit einer galvanischen Isolationsbarriere, wodurch eine ultraschnelle isolierte bidirektionale Überstrom- und Überspannungserkennung in weniger als 400 ns möglich wird. Bausteine zur Stromerfassung und Isolationsüberwachung sind ebenfalls wichtige Komponenten in Designs von Ladestationen, Hochspannungsverteileinheiten und Vollenergie-Speicherlösungen.
Renaissance der Isolationstechnologie
Abgesehen von EV- und HEV-Systemen spielt die Hochspannungsisolation eine bedeutsame Rolle bei der Elektrifizierung in zahlreichen anderen Branchen, deren Spektrum von Schwerlast- und Spezialfahrzeugen bis hin zu Industrieanwendungen reicht. Da sich die Elektrifizierung dieser Designs in Richtung Hochwatt-Leistungselektronik entwickelt, wird die elektrische Isolation der Niederspannungsseite vom Hochleistungssystem besonders kritisch.
Hier spielen halbleiterbasierte Isolationsbausteine eine bedeutsame Rolle als Schnittstelle zu Leistungsreglern mit Hochspannungsdesigns, beispielsweise Systeme zum Management und Laden von EV-Batterien, Solar- und Windradinverter sowie Industriemotoren. Kurz gesagt: Hochspannungsisolation geht Hand in Hand mit hochdichter Leistungselektronik.
