Um Stromschläge bei Hochspannungs-Designs zu verhindern, ist eine zuverlässige Isolation erforderlich. (Bild: SB Arts Media - stock.adobe.com)
Die Isolation verhindert, dass unerwünschte Gleich- oder Wechselströme zwischen zwei Schaltungsteilen fließen, während eine Signal- oder Stromversorgungs-Übertragung möglich ist. Hochspannungs-Systeme verlangen darüber hinaus nach zusätzlichen Isolationsmaßnahmen, da ein größerer Umfang an bidirektionalen Signalinformationen über die Isolationsbarriere übertragen werden muss.
Neben der Stromversorgung kann es sich dabei um Gatetreiber- und digitale Kommunikations-Signale handeln.
Wichtige Aspekte bei isolierten Schaltungen
Bei der Realisierung einer zuverlässigen Isolationsbarriere sind die Isolationsklasse, die Luft- und Kriechstrecken, der CMTI-Wert und EMI-Belange zu beachten. Unterschieden wird insbesondere zwischen der Funktionsisolation (für die einwandfreie Funktion eines Systems), der Basisisolation (für hinreichenden Schutz vor elektrischen Schlägen) und der verstärkten Isolation (höchste, bei Hochspannungs-Systemen angewandte Isolationsklasse).
Luft- und Kriechstrecke bei Isolatoren
Zu den wichtigen Kenngrößen von Isolatoren gehören die Luft- und die Kriechstrecke. Die Kriechstrecke ist die kürzeste, entlang der Oberfläche beispielsweise eines IC-Gehäuses gemessene Entfernung zwischen zwei Leitern, während die Luftstrecke direkt durch die Luft gemessen wird. Hochwertige Gehäusematerialien, Wide-Body-Gehäuse und verstärkte Isolation ergänzen sich hier, um Überschläge und Lichtbogenbildung zu unterbinden.
CMTI-Wert gibt Beständigkeit gegen Transienten an
Der in kV/µs oder V/ns angegebene CMTI-Wert eines Isolators gibt seine Beständigkeit gegen schnelle Transienten an. Da die Spannungsflanken infolge der wachsenden Verbreitung von Wide-Bandgap-Halbleitern immer steiler werden, gewinnt der CMTI-Wert als Maß für die Beständigkeit eines Isolators immer mehr an Bedeutung. Gängige Werte sind hier bis zu 100 V/ns oder sogar über 200 V/ns.
Isolations-ICs in aktuellen Hochspannungssystemen
In modernen Hochspannungs-Systemen sind ICs die grundlegenden Isolations-Komponenten, die Gleichströme und niederfrequente Wechselströme blockieren, während die Stromversorgung, analoge Signale und schnelle digitale Signale die Barriere überqueren können. Die Signalübertragung erfolgt dabei optisch, kapazitiv (mithilfe eines elektrischen Felds) oder induktiv (per Magnetfeld) (Bild 1).
Optische Signalübertragung mithilfe eines Optokopplers
Bei einem Optokoppler wird Licht aus einer LED durch ein transparentes Dielektrikum zu einem Photo-Transistor geleitet. Mehr als einige mBit pro Sekunde können mit dieser Technik allerdings nicht transferiert werden, und eine Energieübertragung scheidet aus Effizienzgründen gänzlich aus.
Kapazitive Signalübertragung per Amplituden- oder Phasenumtastung
Kapazitive Isolationsbarrieren ermöglichen die Signalübertragung unter anderem per Amplituden- oder Phasenumtastung. Neben Daten kann in sehr begrenztem Umfang auch Energie übertragen werden. Es können mehrere kapazitive Isolationskanäle in einem IC-Gehäuse untergebracht werden, wobei jede Seite als Sender oder Empfänger fungieren kann, sodass eine bidirektionale Signalkommunikation unterstützt wird.
Bei der Realisierung einer Isolationsbarriere sind die Isolationsklasse, die Luft- und Kriechstrecken, der CMTI-Wert und EMI-Belange zu beachten. Unterschieden wird insbesondere zwischen der Funktionsisolation für die einwandfreie Funktion des Systems, der Basisisolation für hinreichenden Schutz vor elektrischen Schlägen und der verstärkten Isolation als höchste, bei Hochspannungs-Systemen angewandte Isolationsklasse. In aktuellen Hochspannungs-Systemen sind ICs die grundlegenden Isolations-Komponenten. Die Signalübertragung erfolgt dabei optisch, kapazitiv mithilfe eines elektrischen Felds oder induktiv per Magnetfeld.
Die kapazitive Isolationstechnik zeichnet sich durch sehr geringe Signallaufzeiten aus, kann Übertragungsraten von über 150 MBit/s erreichen und nimmt weniger Bias-Strom auf als Optokoppler.
Allerdings sind separate Bias-Spannungen für jede Seite der Isolationsbarriere nötig. Das Dielektrikum der kapazitiven Isolatoren von TI basiert auf SiO2, das eine sonst unerreicht hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist und wenig anfällig gegenüber Feuchtigkeit und Temperatureinflüssen ist. Diese Technik erlaubt Arbeitsspannungen (VIOWM) von 2 kVRMS und Isolationsspannungen (VISO) von 7,5 kVRMS und weist eine Stoßspannungs-Beständigkeit von 12,8 kVPK auf.
Induktive Signalübertragung durch ein Magnetfeld
ICs mit integrierter induktiver (magnetischer) Isolation sind vorteilhaft für Anwendungen, die eine hochfrequente DC/DC-Leistungswandlung erfordern. Mit dieser Technik lassen sich Leistungen von mehr als einigen hundert mW übertragen, sodass in den meisten Anwendungen auf eine separate Bias-Stromversorgung für die Sekundärseite verzichtet werden kann. Auch die Übertragung hochfrequenter Signale ist möglich, und zwar mit demselben Übertrager, der auch für die Stromversorgung benutzt wird.
Bei dem proprietären Multichip-Modulkonzept sind ein leistungsfähiger planarer Übertrager, eine isolierte Stromversorgungs-Stufe und ein spezieller Controllerchip in einem Gehäuse untergebracht. Diese Übertrager können entweder mit einem Ferritkern hergestellt werden, um die Kopplung und Effizienz zu verbessern, oder aber mit Luftkern. Letzteres reduziert die Kosten und sorgt für weniger Komplexität, wenn die Applikation nur wenig Leistung benötigt. In Bild 2 ist ein solches, aus zwei Chips bestehendes Modul zu sehen, mit speziellen Regelungsmechanismen und Taktungsverfahren sowie einem integrierten Planar-Übertrager.
Der Übertrager kann optional Ferritplatten an der Ober- und Unterseite enthalten, während das proprietäre Dünnschicht-Polymerlaminat-Array als Isolationsbarriere fungiert. Wie in Bild 2 zu sehen, sind die Übertrager-Wicklungen in das Polymerlaminat eingebettet und mit zwei Ferritplatten zu einer Sandwichstruktur vereint.
Isolationslösungen für Elektrofahrzeuge
Die Batteriespannungen von Elektrofahrzeugen werden von 400 V auf 800 V oder sogar 1 kV angehoben, um das Gewicht zu reduzieren, das Drehmoment und den Wirkungsgrad zu steigern und die Ladezeiten zu verkürzen. Batteriemanagement-Systeme (BMS) und Traktionswechselrichter gehören zu den entscheidenden Subsystemen von EVs, bei denen der 800-V-Bereich vom Chassis isoliert werden muss.
Isolierte Halbleiterbausteine erlauben den sicheren Betrieb von analogen und digitalen Niederspannungs-Schaltungen in solchen Hochspannungs-Batterien. Isolierte Spannungs- und Stromsensoren, A/D-Wandler und CAN-Transceiver sind einige Beispiele für Signalketten-ICs, die auf eine niedrige DC-Vorspannung beiderseits der Isolationsbarriere angewiesen sind.
Mit dem UCC12051-Q1 steht ein isoliertes DC/DC-Stromversorgungsmodul zur Verfügung, das auf der planaren Übertragertechnik basiert und bei einer Isolationsspannung von 5 kVRMS eine Leistung von bis zu 500 mW übertragen kann.
Integrationsgrad mit DC/DC-Modulen erhöhen
Isolierte DC/DC-Module dieser Art eignen sich für eine Vielzahl von Stromversorgungs-Architekturen, und mit gewissen Abstrichen an der Skalierbarkeit lässt sich der Integrationsgrad durch die Unterbringung der Signalkette und der Stromversorgung in einem IC-Gehäuse noch weiter erhöhen. Erhältlich sind Kombinationen aus Stromversorgung und Digitalisolator (ISOW7841A-Q1), Stromversorgung und ADC (AMC3336-Q1) sowie Stromversorgung und Verstärker (AMC1350-Q1).
Anwendungen in der Netzinfrastruktur
In Photovoltaik-Anlagen und EV-Ladesystemen können Spannungen von über 1,5 kV auftreten, was eine wirksame Isolation unerlässlich macht. Aufgrund ihrer hohen Sicherheitsrelevanz muss die Isolation solcher Systeme zudem unbedingt überwacht werden. Eine Halbleiterrelais-Lösung kommt ohne bewegliche Teile aus und kann über Jahrzehnte hinweg periodische Messungen durchführen, ohne dass Einbußen an der Leistungsfähigkeit zu verzeichnen sind.
Da sowohl die Stromversorgung als auch Signale isoliert übertragen werden, sind keine sekundärseitigen Bias-Versorgungen erforderlich. Aufgrund der kleinen Gehäuseabmessungen ist überdies der Platzbedarf um 50 Prozent geringer als bei Lösungen mit Photorelais oder elektromechanischen Relais.
Bild 3 zeigt das Blockschaltbild eines Referenzdesigns für ein Isolationsüberwachungs-System zum Einsatz in EV-Lade- oder PV-Systemen.
Fabrikautomations-Applikationen mit SPS
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verarbeiten Daten aus im Feld platzierten Sensoren oder Messwertumwandlern und leiten diese über einen Isolator an einen Mikrocontroller weiter. Aufgrund der feldseitigen Spannung von 24 V reicht normalerweise eine Basisisolation aus, und Arbeitsspannungen von 100 bis 500 VRMS und Isolationsspannungen von 2,5 kVRMS genügen in der Regel ebenfalls. Wegen der beengten Platzverhältnisse in diesen Anwendungen kommen vorzugsweise Gehäuse mit kurzen Luft- und Kriechstrecken zum Einsatz.
In dem digitalen SPS-Eingangsmodul in Bild 4 benötigen der Serializer und die Feldseite des Isolators eine Stromversorgung von 5 V oder 3,3 V. Eine isolierte Stromversorgung oder ein Digitalisolator mit integrierter Stromversorgung ermöglichen hierbei den Verzicht auf eine separate feldseitige Stromversorgung. Analoge SPS-Eingangsmodule leiten Signale über ein eingangsseitiges AFE und einen Digitalisolator an den Mikrocontroller.
Isolation von Feld-Transmittern
Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Isolation von Feld-Transmittern. Da das gesamte System per 4-20-mA-Stromschleife gespeist wird, steht meist nur ein Strombudget von weniger als 3,3 mA zur Verfügung. Hier zahlt es sich aus, dass die ISO7041-Familie zwei bis vier stromsparende Digitalisolator-Kanäle in kleinen Gehäusen integriert.
Antriebs-Anwendungen
Wie in Bild 5 gezeigt, wird in einem Antrieb die Netzwechselspannung zunächst gleichgerichtet und anschließend wieder in eine Wechselspannung umgewandelt, deren Höhe und Frequenz entsprechend der Betriebssituation des Motors variiert werden kann.
Die Isolationsbarriere befindet sich hier meist zwischen den Leistungs- und den Ansteuer-Schaltungen, die Implementierung erfolgt mit isolierten Halbleiterbausteinen. Strom- und Spannungssignale aus dem Leistungsteil werden über isolierte Verstärker an die Ansteuerschaltung geführt, isolierte Gatetreiber sorgen für die Isolation zwischen den PWM-Ansteuersignalen und den Leistungstransistoren. Ein isolierter Komparator detektiert etwaige Überstrom-, Überspannungs- oder Übertemperatur-Ereignisse und meldet diese an den Mikrocontroller.
Spannungs- und Strommessungen müssen hier mit hoher Genauigkeit erfolgen, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern und für gleichmäßige Drehzahl- und Drehmoment-Profile zu sorgen.
Isolierte Gatetreiber
Durch kurze Signallaufzeiten, hohe CMTI-Werte und kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten ermöglichen isolierte Gatetreiber die Verwendung höherer PWM-Frequenzen und eine Minimierung der Schaltverluste, sodass es einfacher wird, Antriebssysteme mit SiC- und GaN-Transistoren zu bestücken. (bs)
