Wie isolierte Spannungsmessung Bauraum im Auto spart

Industrie- und Automotive-Anwendungen sollen aus erneuerbaren Quellen ein Maximum an Energie herausholen. Dementsprechend steigt die Nachfrage nach kompakten, effizienten, präzisen und kosteneffektiven Leistungswandlern und Motorreglern. Aber das genaue, isolierte Messen hoher Spannungen stellt aus elektrotechnischer Sicht eine beträchtliche Herausforderung dar, zumal die zu messenden Spannungen immer höher werden – bei Gleichspannungen ist ein Anstieg von 400 V auf 800 V und sogar 1.500 V zu verzeichnen. Auch die Bezahlbarkeit für Konsumenten und die Optimierung des Platzbedarfs bekommen einen immer höheren Stellenwert. Gefordert sind deshalb präzise, größenoptimierte, galvanisch isolierte Spannungsmessungslösungen.

Wie isolierte Spannungsmessung die Reichweite und Sicherheit von E-Fahrzeugen verbessert

Jahr für Jahr verkünden die Automobilhersteller Pläne zur Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) mit noch mehr Reichweite und Betriebssicherheit, die gleichzeitig bezahlbar bleiben sollen. Integrierte, isolierte DC-Spannungsmessbausteine können die Batteriespannung in Bordladegeräten, Gleichspannungswandlern und Batteriemanagement-Systemen mit einem Fehler von weniger als ein Prozent messen und damit zur Vergrößerung der Reichweite beitragen. Isolierte AC-Spannungsmessbausteine wiederum sind kompakte integrierte Schaltungen (IC), die ein- oder dreiphasige Netzspannungen mit hoher Genauigkeit messen können. Unabhängig ob AC oder DC – Bausteine zum isolierten Messen hoher Spannungen erkennen Ausfälle und erzeugen diesbezügliche Warnmeldungen für die Fahrer. Außer zur Reichweite und Betriebssicherheit können isolierte AC- und DC-Spannungsmessbausteine auch zur Bezahlbarkeit beitragen, da ein IC mehrere externe Bauelemente zusammenfasst.

In Smart-Energy-Infrastrukturen können hochintegrierte, isolierte Spannungsmessbausteine die Kosten senken und eine höhere Leistungsdichte ermöglichen. Dies betrifft unter anderem DC- oder AC-Ladegeräte, Energiespeichersysteme und PV-Wechselrichter. Die isolierten Spannungsmesser erlauben Spannungsmessungen mit einem Fehler von weniger als ein Prozent und schaffen damit die Voraussetzungen für eine präzisere Energieabgabe und eine Reduzierung der Verlustleistung. Die dadurch erzielten Kosteneinsparungen lassen sich letztendlich an die Konsumenten weitergeben.

Anwendungen im Bereich der Energie-Infrastruktur benötigen AC- und DC-Spannungsmessungen. Ein isolierter Spannungssensor gestattet ein genaues Messen der Netzspannung. Dies ist wichtig für Leistungswandler, da für die Leistungsfaktor-Korrektur die genaue Phasendifferenz zwischen den verschiedenen Spannungen bekannt sein muss. In Wechselrichtern wiederum liefern isolierte Spannungssensoren präzise Spannungsinformationen für die Netz- und/oder die Verbraucherseite. Schließlich verkürzen isolierte Gleichspannungsmessungen die Ladezeit in der Konstantspannungsphase, in der die Batterie auf die finale Spannung aufgeladen wird, ohne Schaden zu nehmen.

Ob industrielle Antriebe oder Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge – in Motorregelungs-Anwendungen besteht ein wachsender Bedarf an präzisen Gleichspannungsmessungen. Ein kompaktes IC ermöglicht hier exaktere DC-Spannungsmessungen, ohne auf der Leiterplatte übermäßig viel Platz zu beanspruchen. Damit werden gleich zwei Herausforderungen von Motorregelungs-Anwendungen überwunden.

Speziell für den Einsatz in Leistungswandler- und Motorregelungs-Systemen hat TI zwei neue isolierte Spannungserfassungstechniken entwickelt, nämlich integrierte Hochspannungs-Widerstände und Bausteine mit massebezogenem Ausgang.

Die aus den Bausteinen AMC0380D04-Q1, AMC0381D10-Q1 und AMC0386M10-Q1 bestehende Familie galvanisch isolierter Spannungsmessverstärker und Modulatoren enthält Hochspannungs-Widerstandsteiler und verzichtet damit auf sperrige und teure externe Widerstände, um die zu messende Spannung auf ±1 V beziehungsweise 0-2 V herabzusetzen. Separate Hochspannungs-Widerstände können nämlich auf der Leiterplatte viel Platz beanspruchen und möglicherweise sind bis zu 15 davon notwendig, um die Spannung hinreichend herabzusetzen und die Isolationsspezifikationen des jeweiligen Systems einzuhalten. Separate Hochspannungs-Widerstände sind zudem eine Ursache von Messfehlern sowie Langzeit- und Temperatur-Drifteffekten. Nicht zuletzt erfordern sie eine Kalibrierung am Ende der Fertigung.

AMC0380D04-Q1 (Verstärker mit isoliertem Eingang für ±400 VAC), AMC0381D10-Q1 (Verstärker mit isoliertem Eingang für 1.000 V DC) und AMC0386M10-Q1 (Modulator mit isoliertem Eingang für ±1.000 V AC) sorgen nicht nur für niedrigere Systemkosten, sondern verringern auch die Lösungsabmessungen um bis zu 50 Prozent, da keine externen Hochspannungs-Widerstände erforderlich sind (Bild 1).

Zudem ist eine Systemkalibrierung entbehrlich, da der Verstärkungsfehler der internen Widerstände bei diesen Bausteinen bereits werksseitig herauskalibriert wird, was Zeit und Kosten in der Produktion spart. Durch die höhere Genauigkeit können die Bausteine außerdem den Systemwirkungsgrad verbessern. Der integrierte Widerstandsteiler zeichnet sich nämlich verglichen mit diskreten Widerständen durch eine sehr geringe Temperatur- und Langzeitdrift aus, sodass Spannungsmessungen mit einem Fehler von weniger als ein Prozent möglich sind.

Beim Design isolierter Spannungsmessschaltungen auf der Basis herkömmlicher isolierter Verstärker (z. B. AMC1311) muss das differenzielle Ausgangssignal des isolierten Verstärkers oft in ein massebezogenes Signal umgewandelt werden, das sich direkt an den integrierten A/D-Wandler (ADC) des jeweiligen Mikrocontrollers führen lässt. Daraus können Mehrkosten und eine größere Leiterplattenfläche resultieren.

Die Bausteine AMC0311R-Q1, AMC0311S-Q1, AMC0330R-Q1 und AMC0330S-Q1 kommen ohne eine separate, meist aus einem Operationsverstärker und einer Spannungsreferenz bestehende Schaltung zur Umwandlung des differenziellen Signals in ein massebezogenes Signal aus (Bild 2). Dabei belegen AMC0311R-Q1 und AMC0330R-Q1 nicht nur weniger Leiterplattenfläche, sondern besitzen überdies einen ratiometrischen Ausgang. Das vom isolierten Spannungsmesser erzeugte Signal wird also gemäß der Referenzspannung des A/D-Wandlers im MCU variiert, sodass sich der gesamte Dynamikbereich des ADC ausschöpfen lässt, um Messungen mit höherer Auflösung zu ermöglichen.

Vergleich von Spannungsmesslösungen für Leistungswandler und Motorregelung

Bild 3 zeigt die standardmäßige Topologie eines Leistungswandlersystems. Zum Messen der Netzwechselspannung kommt entweder der AMC0380D04-Q1 ohne externe Hochspannungs-Widerstände (grüner Kasten) beziehungsweise AMC0330D-Q1, AMC0330S-Q1 oder AMC0330R-Q1 mit externen Widerständen (gelber Kasten) zum Einsatz. AMC0381D10-Q1 und AMC0386M10-Q1 ohne externe Widerstände (blaue Kästen) beziehungsweise AMC0311D-Q1, AMC0311S-Q1 oder AMC0311R-Q1 mit externen Widerständen (rote Kästen) kommen zum Erfassen der Gleichspannung infrage.

Die standardmäßige Topologie eines Motorregelungssystems ist in Bild 4 dargestellt. Zum Erfassen der Wechselspannung eignen sich der AMC0380D04-Q1 ohne externe Hochspannungs-Widerstände (grüner Kasten) beziehungsweise die Bausteine AMC0330D-Q1, AMC0330S-Q1 oder AMC0330R-Q1 mit externen Widerständen (gelber Kasten). Gleichspannung lässt sich mit dem AMC0381D10-Q1 beziehungsweise dem AMC0386M10-Q1 (ohne externe Widerstände, blauer Kasten) beziehungsweise dem AMC0311D-Q1, AMC0311S-Q1 oder AMC0311R-Q1 (mit externen Widerständen, roter Kasten) erfassen.