Weiterentwicklung der Isolation elektronischer Subsysteme

Wir stehen vor starken Veränderungen in den unterschiedlichen Sektoren. In der Automobilbranche führt die zunehmende Elektrifizierung der Fahrzeuge zu einem erheblichen Anstieg der Verwendung von Leistungswandlern. Diese Umrichter spielen eine zentrale Rolle beim Schnellladen verschiedener Akkus in Elektrofahrzeugen (EV) sowie bei der Umwandlung der gespeicherten Energie zum Betrieb der Motoren, die die einzelnen Räder antreiben und die elektrischen und elektronischen Systeme des Fahrzeugs mit Strom versorgen.

Um deren hohe Effizienz, Robustheit und Leistungsmerkmale zu nutzen, setzen die Entwickler auf WBG-Transistortechnologien, z. B. Siliziumkarbid (SiC). Diese Bauelemente können im Vergleich zu Schaltkreisen, die auf herkömmlichen Siliziumprozessen beruhen, wesentlich höhere Energiedichten liefern, da sie aufgrund geringerer Schaltverluste nicht nur mit höheren Frequenzen arbeiten, sondern auch höhere Versorgungsspannungen verarbeiten können.

Voraussetzung für den Betrieb mit höheren Frequenzen ist eine präzise Echtzeitsteuerung der Schaltvorgänge mit geringer Verzögerung. In der Regel wird dies durch High-Speed-Mikrocontroller oder individuelle Logik erreicht. Dabei kommen auf aktuellen Verfahren basierende Geräte zum Einsatz, die mit deutlich niedrigeren Spannungen arbeiten. Als Schutz gegen Überspannungen und Spannungsspitzen, die von der Hochspannungsseite ausgehen, müssen in diese Schaltungen hochentwickelte Isolationskomponenten eingebaut werden.

Technologien zur Isolierung

Zum Erreichen einer elektrischen Isolierung wurden mehrere Kerntechnologien entwickelt. Eine der ersten war die magnetische Abschirmung, welche die in den Wicklungen eines Transformators erzeugten, elektromagnetischen Felder über einem Isolierspalt nutzt. Diese Technologie ist zwar bei Stromversorgungen üblich, doch kann die Verwendung großer Transformatoren zum Erzielen der Isolierung zwischen Nieder- und Hochspannungsabschnitten eines Systems sich als sehr kostspielig erweisen.

Die optische Isolierung ist ein weiterer bewährter Ansatz, bei dem eine Lichtquelle – ursprünglich eine Glühlampe und heute in der Regel eine Leuchtdiode (LED) – einen Fotodetektor über einen Luftspalt hinweg anstrahlt. Allerdings können Optokoppler, eine gängige Implementierung der optischen Isolierung, unter Alterungseffekten leiden. Die Anpassung des Fotodetektors an sich ändernde Lichtpegel führt zu einer Verzögerung und damit zu einer vergleichsweise langsamen Reaktion.

Dagegen stellt die kapazitive Isolierung eine wesentlich schnellere Alternative dar. Sie nutzt die elektrischen Felder, die von Kondensatoren während der Lade- und Entlade-Zyklen erzeugt werden und koppelt Signale effizient über einen Isolationsabstand hinweg, wobei jeglicher Gleichstrom effektiv blockiert wird. Die durch kapazitive Isolierung ermöglichte Kommunikation erfolgt in der Regel in digitaler Form. Ein gängiges Protokoll zum Senden von Daten ist das On-Off-Keying (OOK, zu deutsch An-Aus-Tastung), wobei eine digitale „1“ durch das Vorhandensein eines Schwingungsfeldes und eine „0“ durch dessen Fehlen dargestellt wird.

Die kapazitive Isolierung erlaubt eine viel höhere Datenrate als die opto-isolierende und weist dank der Verwendung einfacher Protokolle wie OOK eine geringe Ausbreitungsverzögerung auf. Ein weiterer Vorteil der kapazitiven Isolierung, insbesondere bei Elektrofahrzeugen und anderen batterieintensiven Anwendungen, bei denen jedes Watt zählt, ist ihr verhältnismäßig geringer Strombedarf. Bei einer Datenrate von 1 Mb/s verbrauchen die mit dieser Technologie ausgestatteten Geräte von Novosense nur 1,5 mA pro Kanal bei einer Ausbreitungsverzögerung von weniger als 15 ns. Für Hochgeschwindigkeits-Regelkreise können die Bausteine eine Datenrate von bis zu 150 MB/s unterstützen. Dank dieser Eigenschaften bietet die kapazitive digitale Isolierung die beste Merkmalkombination für Hochfrequenzsysteme.

Anwendungsspezifische Anforderungen

Viele Anwendungen setzen eine Reihe von gemeinsamen Merkmalen voraus, doch die besonderen Anforderungen jeder Anwendung bestimmen die am besten geeignete Isolationslösung. Insbesondere die Abmessungen des Gehäuses spielen bei der Auswahl des Isolators eine entscheidende Rolle, denn trotz der Kompaktheitsvorteile, die höher integrierte Isolatoren bieten, können bestimmte Messungen nicht beeinträchtigt werden. Ein entscheidender Faktor ist der Isolationsspalt innerhalb eines Bauelements, der sich direkt auf dessen Spannungsfestigkeit auswirkt – ein Parameter, der in ausgewählten Anwendungen einen Aufwärtstrend verzeichnet.

Bei Fotovoltaikanlagen ist beispielsweise eine deutliche Verschiebung hin zu Busspannungen von bis zu 1500 V zu beobachten. Diese Entwicklung zielt darauf ab, die Leistungsdichte von Fotovoltaikmodulen zu erhöhen. Zur Kontrolle der Teilsysteme, die mit solch hohen Spannungen arbeiten, müssen die Entwickler Isolatoren verwenden, die zusätzlich zu den Kernfunktionen der Spannungsfestigkeit relativ lange Kriechstrecken bieten.

Die Kriechstrecke, die den kürzesten Abstand zwischen zwei leitenden Teilen, gemessen entlang der Isolierfläche, bezeichnet, unterscheidet sich von der Luftstrecke, dem kürzesten linearen Abstand zwischen leitenden Teilen. Umweltfaktoren wie der Verschmutzungsgrad und der vergleichende Kriechstromindex (Comparative Tracking Index, CTI) wirken sich auf den Kriechstrom aus, der die Durchschlagsanfälligkeit des Materials unter Belastung darstellt.

Da Solaranlagen und sonstige erneuerbare Energiequellen ständig unter rauen Einsatzbedingungen betrieben werden müssen, haben Umweltfaktoren einen erheblichen Einfluss auf die Luft- und Kriechstrecken. Deshalb ist es wichtig, deren Unterschiede bei der Alterung eines Systems zu berücksichtigen. Die Anforderungen an die Kriechstrecke für Fotovoltaiksysteme sind in Normen wie IEC62109-1 beschrieben, die eine Luftstrecke von 14 mm vorschreiben.

Als Reaktion auf diese Anforderungen haben Hersteller wie Novosense Isolatoren entwickelt, die Wide- und Ultrawide-Gehäuse verwenden. Diese Bauelemente erfüllen die Kriechstreckenanforderungen der neuen Standards. Das Ultrawide-Body-Gehäuse ermöglicht eine Kriechstrecke von bis zu 15 mm. Mit einer Stehspannung von 8 kV_eff bieten die verbesserten Isolatoren dieser Produktreihe ein Isolationsniveau, das mit dem von zwei in Reihe geschalteten konventionellen Isolatoren vergleichbar ist.

Unterscheidungsmerkmale von Isolatoren

Isolatoren und ihre Anwendungen unterscheiden sich durch mehrere Merkmale voneinander. Ein entscheidender Unterscheidungsfaktor ist die Immunität gegen Gleichtaktstörungen, ein Aspekt, der die effektive Leistung von Isolatoren beeinträchtigen kann.

Innerhalb eines Systems können sich elektrische Felder mit Elementen auf beiden Seiten der Isolationsbarriere koppeln und so Rauschen in beide Schaltungen einspeisen. Durch Fortschritte im Design kann dieses Rauschen jedoch wirksam gemindert werden. Novosense implementiert dazu eine adaptive On-Off-Keying (OOK) -Modulation. Die adaptive OOK-Modulation beinhaltet einen Detektionsschaltkreis innerhalb des ICs, der die Signale auf beiden Seiten der Modulationsbarriere analysiert. Wenn ein relativ hoher Störpegel festgestellt wird, unterdrückt die Schaltung die Auswirkungen und bewältigt effektiv Überspannungen von bis zu 250 kV/µs. Diese adaptive Strategie bietet einen deutlichen Vorteil, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Gleichtaktstörungen vorübergehend und sporadisch auftreten. Der adaptive Ansatz sorgt für eine ausgewogene Synergie zwischen Stromverbrauch und Widerstandsfähigkeit und ist Techniken, die sich auf eine konstante, hochgradige Gleichtaktstörungsunterdrückung verlassen, weit überlegen.

Die Betriebstemperatur ist ein kritischer Faktor, der eng mit der Endnutzung verbunden ist. Aus diesem Grund unterteilen Automobilhersteller digitale Isolatoren in vier Klassen, von Klasse 0 bis Klasse 3, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Betriebstemperatur erfüllen müssen. Ein Produkt der Klasse 0, das für die wichtigsten Systeme eines Fahrzeugs bestimmt ist, hat die strengsten Anforderungen und muss in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C funktionieren. Mit steigender Klasse werden die Temperaturbereiche schmaler.

Isolatoren müssen nicht nur die physikalischen Spezifikationen von Standards wie IEC62109-1 erfüllen, sondern auch die wichtigsten Sicherheitsstandards, da sie eine zentrale Rolle bei der Abschirmung von Schaltkreisen vor Spannungsspitzen spielen. Von diesen Standards ist die Erfüllung des UL1577-Standards von größter Bedeutung für die Auswahl eines Trennschalters. Um eine Zulassung gemäß diesem Standard zu erhalten, muss das Bauelement eine Minute lang der Nennisolationsspannung standhalten. Darüber hinaus müssen alle Isolatoren einem Produktionstest unterzogen werden, bei dem nachgewiesen wird, dass sie eine Sekunde lang 120 Prozent der Isolationsspannung standhalten können.

Zusammenfassung

Die Isolation von elektronischen Subsystemen muss sich in dem Maße weiterentwickeln, wie sich die Anwendungen entwickeln, um von den technologischen Veränderungen und den neuen Marktchancen zu profitieren. Diese Entwicklung zeigt sich in den Verbesserungen der entscheidenden Parameter von Isolatoren, die dank ihrer Bereitschaft mit den Veränderungen Schritt zu halten, von Anbietern wie Novosense entwickelt wurden. (neu)