Stromsensoren für Hochvoltsysteme

Bei der Entwicklung jeglicher Art von Geräten und Systemen muss der Schutz des Anwenders vor Gefahren durch einen möglichen elektrischen Schlag im Vordergrund stehen. So jedenfalls fordern es die meisten Standards. Für einen wirkungsvollen Schutz des Anwenders können zwei Schutzebenen oder eine einzelne, verstärkt ausgelegte Isolationsschicht sorgen. Folgende Schutzmechanismen sind möglich:

• Basisisolierung: Sie bietet einen grundlegenden Schutz vor einem elektrischen Schlag
• Ergänzende Isolierung: Dies ist eine unabhängige Isolierung zusätzlich zur Basisisolierung zur Verringerung des Risikos eines elektrischen Schlages
• Doppelte Isolierung: Sie besteht aus einer Basisisolierung und einer zusätzlichen Isolierung
• Verstärkte Isolierung: Dabei handelt es sich um eine einzelne Isolationsschicht, die ein gewisses Maß an Schutz vor einem elektrischen Schlag bietet – entsprechend der doppelten Isolierung unter festgelegten Bedingungen eines Standards

Die Definition der verstärkten Isolierung sorgt bei Entwicklern oft für Verwirrung, da eine gewisse Vertrautheit mit einem Sicherheitsstandard erforderlich ist. Dies ist nicht der Fall, wenn der Entwickler versteht, dass nur eine doppelte oder verstärkte Isolation ausreicht, um Nutzer vor Strömschlägen schützen.

Zahlreiche UL- und IEC-Spezifikationen definieren eine gefährliche Spannung auf unterschiedlichen Ebenen. Als Faustregel gilt, dass jede Spannung über 42,4 V_eff oder 60 V_DC ein Risiko darstellt. Niedrigere Spannungen bergen in den meisten Fällen keine ernsten Gefahren in sich und fallen in die Rubrik „extreme“ Niedervoltsysteme. So ist zum Beispiel in den USA die Spannung des Telefonsystems seit seiner Einführung auf 50 V_DC begrenzt, um Anwender vor den Gefahren durch einen elektrischen Schlag zu schützen. Dies ist bis heute so.

Antrieb mit variabler Drehzahl

Diese grundlegenden Regeln sollten Entwickler auch beim Aufbau eines Antriebs mit variabler Drehzahl berücksichtigen. Ein solches System wandelt die Netzspannung in eine Gleichspannung, um einen Motor anzutreiben. Die Schaltungen in Bild 2 und Bild 3 nutzen eine Standard-Dreiphasen-Topologie mit IGBTs, welche die Spannung zwischen den Motorphasen hin und her schalten. Die Steuerung der IGBTs erfolgt über den System-Mikrocontroller (MCU), die Stromrückkopplung über Stromsensoren.

Bild 1: Modell eines Stromsensor-IC im SOIC8-Gehäuse. Allegro Microsystems

Zur Steuerung des Antriebs dient eine Benutzerschnittstelle, die mit den digitalen I/O-Anschlüssen der MCU verbunden ist. Die gleichgerichteten Spannungspegel liegen zwischen 200 und 1000 V_DC.

Drehzahlgeregelte Antriebe in diesem Spannungsbereich stuft die Standard-Nomenklatur als „Niedervoltsysteme“ ein. Allerdings stellen auch diese Spannungspegel ein erhebliches Risiko für einen elektrischen Schlag dar. Daher ist die Einhaltung von Sicherheitsstandards erforderlich, die doppelte oder verstärkte Isolierung zwischen der Benutzerschnittstelle und anderen Elektronikschaltkreisen innerhalb des Gehäuses erfordern. Diese Isolierung muss den Isolationsstandard erfüllen, für den sie zertifiziert ist. Die Zertifizierung eines Systems beinhaltet auch eine entsprechende Isolationsleistung anstelle einer Nennisolierung.

Ein gängiger Standard ist UL60950-1, Ausgabe 2, für Ausrüstungen der Informationstechnik. Die hohen Anforderungen sind mittlerweile eine Messlatte für viele verschiedene Geräte, Systeme und Komponenten. Zu den gängigen Bauteilestandards zählen IEC60747-5-2 und UL1577. Zu den Standards auf Systemebene jenseits von UL60950-1 zählen auch 60730-1, 62368-2 und 61010-1.

Zahlreiche Isolationslösungen

Allegro bietet eine Reihe von Stromsensor-ICs, mit denen sich die in drehzahlgeregelten Antrieben erforderliche Isolierung realisieren lässt. Bei den vollständig integrierten Stromsensoren fließt der Strom auf einer Seite des Gehäuses in den IC hinein und hinaus. Die Signalleitungen befinden sich auf der anderen Gehäuseseite. Dieser Aufbau ermöglicht eine Kriech- und Luftstrecke zwischen dem Primärstromkreis (Hochvoltseite) und der Signalseite (Niedervoltseite). Bild 1 zeigt einen Stromsensor-IC von Allegro im SOIC8-Gehäuse.

SMD-Stromsensor-ICs dieser Art lassen sich in jedem gängigen Antrieb und je nach Leiterplattendesign für Dauerströme bis 40 A mit Spitzenströmen bis 65 A oder höher verwenden.

Flip-Chip-Montage sorgt für einen Abstand zwischen dem Sensor-IC und stromführenden Leitern innerhalb des Gehäuses. Damit ist die erforderliche Hochvoltisolierung entsprechend der UL- und IEC-Spezifikationen vorhanden. Antriebe mit regelbarer Drehzahl erfordern je nach Systemaufbau verschiedene Isolationsstufen. In Bild 2 und Bild 3 sind zwei gängige Methoden, um doppelte oder verstärkte Isolierung zu erzielen, dargestellt.

Dies setzt voraus, dass alle Komponenten korrekt verdrahtet und an das Wechselstromnetz angeschlossen sind. Der Motor ist ordnungsgemäß angeschlossen und sicher geerdet, sodass keine weiteren Risiken für einen möglichen Stromschlag bestehen. Damit ist die erforderliche Isolation zwischen Benutzerschnittstelle und den Schaltkreisen innerhalb des Gehäuses direkt umsetzbar.

Option 1 (massebezogen)

In der Konfiguration in Bild 2 ist die MCU auf Masse (GND) bezogen. Die Benutzerschnittstelle weist einen Spannungspegel auf, der ein Risiko eines elektrischen Schlages mit sich bringt. Die Versorgung der MCU mit 3,3 oder 5 V Nennspannung erfolgt über einen Regler mit Massebezug.

Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal des Stromsensors ebenfalls an die MCU angeschlossen ist. Der Innenleiter des Sensor-ICs ist daher mit gefährlichen Spannungspegeln der Motor-Ansteuerungsbrücke verbunden. Falls die Benutzerschnittstelle direkt an die digitalen I/O-Anschlüsse der MCU angeschlossen ist, muss der Stromsensor-IC doppelte oder verstärkte Isolierung aufweisen, da dies die einzige Möglichkeit zum Schutz des Anwenders ist.

Bild 2: Blockschaltung eines drehzahlgeregelten Antriebs. In dieser Konfiguration ist die MCU auf Masse bezogen. Allegro Microsystems

Bei jeder Strommessung (Bild 2) bedeutet eine Gehäuse- oder massebezogene Topologie, dass der Stromsensor eine verstärkte Isolation aufweisen muss. Fällt der Stromsensor aus, würde auch die MCU ausfallen und der Anwender wäre über die Benutzerschnittstelle der Gefahr eines elektrischen Schlages ausgesetzt. Stromsensor-ICs, die dem Beispiel in Bild 1 ähneln und sich für diese Topologie eignen, sind heute erhältlich und bieten verstärkte Isolation bis 800 V_DC.

Option 2 (Hochvolt-bezogen)

Eine weitere gängige Antriebsarchitektur (Bild 3) bezieht die MCU auf ein Hochvoltpotenzial, das auf die negative oder positive DC-Spannung bezogen ist. Die Benutzerschnittstelle wäre dieser Spannung ebenfalls ausgesetzt, sofern sie direkt mit der MCU verbunden ist. Dies bringt das Risiko eines elektrischen Schlages mit sich. Daher ist zwischen der Benutzerschnittstelle und der MCU eine doppelte oder verstärkte Isolierung erforderlich (Bild 3).

In diesem Fall muss der Stromsensor nur eine Funktionsspannungsisolation bereitstellen, um die MCU zu schützen. Dies lässt sich durch die Basisisolierung erreichen, die in vielen Stromsensor-ICs von Allegro zur Verfügung steht – obwohl in dieser Topologie einige Sensorstellen keine Isolation erfordern (Bild 3), da sie auf einem ähnlichen Potenzial wie die MCU liegen.

Wie bereits erwähnt, besteht die Verbindung zwischen Benutzerschnittstelle und MCU aus einfachen digitalen I/O-Kanälen. Für die verstärkte Isolierung sorgen digitale oder Opto-Isolatoren (Optokoppler) mit verstärkter Isolationsleistung. Da jeder I/O-Anschluss zwischen MCU und Benutzerschnittstelle diesen Schutz benötigt, sind mehrere Optokoppler erforderlich. Bei der massebezogenen Topologie in Bild 2 und mit den verstärkt isolierenden Stromsensor-ICs von Allegro erübrigen sich Optokoppler. Allerdings muss die Ansteuerung der IGBTs durch die MCU dann auch eine verstärkte Isolierung aufweisen.

Bild 3: Aufbau eines drehzahlgeregelten Antriebs. In dieser Konfiguration ist die MCU auf ein Hochvoltpotenzial bezogen. Allegro Microsystems

Stromsensoren für Hochvoltanwendungen

Unabhängig davon, welcher drehzahlgeregelte Antrieb zum Einsatz kommt, gibt es verschiedene Techniken, die entweder eine grundlegende oder eine verstärkte Isolation mit kleinen Stromsensor-ICs ermöglichen, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. Allegro hat zahlreiche Stromsensor-ICs für drehzahlgeregelte Antriebe und andere Hochvoltanwendungen mit verschiedenen integrierten Funktionen und Präzisionsstufen im Programm. Jeder dieser Stromsensor-ICs ist nach UL/TÜV 60950-1 und UL1577 zertifiziert.

Tabelle 1: Stromsensor-IC-Gehäuse von Allegro und Spannungsisolationswerte nach UL/TÜV60950-1. Für die Modelle im SOIC16W-Gehäuse sind Isolationsspannungen von bis zu 4800 Veff spezifiziert. Allegro Microsystems

Tabelle 1 fasst die verfügbaren SMD-Gehäuseoptionen und deren zertifizierte Isolationsstufen zusammen. Alle Bauteile in Tabelle 1 sind nach IEC/UL60950-1 zertifiziert. Aufgeführt sind auch Optionen für ein Standard-SOIC8-Gehäuse und ein Wide-Body-SOIC16-Gehäuse. Die unterschiedlichen Isolationsleistungen ergeben sich durch die internen und externen Aufbautechniken, um den UL- oder TÜV-Spezifikationen zu entsprechen. Alle ICs bieten eine Basisisolierung für hohe Betriebsspannungen. Die Bausteine im SOIC16-Wide-Body-Gehäuse (MA) bieten verstärkte Isolierung auf DC-Bussen bis 800 V_DC und eine Basisisolierung bis 1550 V_DC.

(hb/ah)