Power-Tipp Drei Möglichkeiten zur Isolation von HV-Systemen

Anbieter zum Thema

Texas Instruments

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Hochspannungssysteme lassen sich mit Optokopplern, kapazitiven und induktiven Methoden isolieren. Aus verschiedenen Gründen setzen Anwender heute auf die Übertragung mittels elektrischen und elektromagnetischen Feldern. Was bieten die Varianten?

Hochspannungssysteme in der Fabrikautomation sowie in Netzinfrastrukturen, Antrieben und Elektrofahrzeugen (EVs) stellen mit ihren teils mehrere hundert Kilovolt betragenden Spannungen nicht nur ein Sicherheitsrisiko für Menschen dar, sondern können auch die Lebensdauer von Anlagen beeinträchtigen, wenn keine hinreichenden Isolationsmaßnahmen getroffen werden.

Isolationsschaltungen blockieren Gleichströme und niederfrequente Wechselströme, während die Stromversorgung, analoge Signale und schnelle digitale Signale über die Isolationsbarriere hinweg übertragen werden. Zu den gängigen Methoden zur Isolation gehören die optische Übertragung (Optokoppler), die kapazitive Übertragung über ein elektrisches Feld und die induktive Übertragung über ein elektromagnetisches Feld (Bilder 1 bis 3).

Bildergalerie

Kapazitive und induktive Isolation

Zahlreiche Isolationsschaltkreise nutzen die kapazitive Isolation und die induktive Methode (mit proprietären, integrierten planaren Übertragern) in Verbindung mit moderner Gehäuse- und Prozesstechnik.

Das aus SiO₂ bestehende Dielektrikum für kapazitive Isolatoren bietet eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit und ist sehr feuchtigkeits- und temperaturbeständig. Mit der kapazitiven Isolationstechnik sind Arbeitsspannungen (U_IOWM) von 2 kV_eff., Stehspannungen (U_ISO) von 7,5 kV_eff. und Stoßspannungen von 12,8 kV_PK möglich.

Die induktive Isolation wird meist dann angewendet, wenn eine hochfrequente DC/DC-Wandlung benötigt wird. Die Möglichkeit, Leistungen von mehr als einigen hundert Milliwatt zu übertragen, macht eine separate, sekundärseitige Bias-Stromversorgung oft überflüssig.

Da sich jedoch auch hochfrequente Signale mit induktiver Isolation übertragen lassen, können für Stromversorgung und Daten dieselben Übertragerwicklungen genutzt werden, wie im Fall der Bausteine TPSI3050-Q1 und TPSI3052-Q1. Ein Multi-Chip-Konzept vereint hier einen planaren Übertrager, eine isolierte Leistungsstufe und einen speziellen Controllerchip in einem Gehäuse.

In Elektrofahrzeugen gehören das Batteriemanagement-System (BMS) und die Traktionswechselrichter zu den besonders kritischen Subsystemen, in denen das 800-V-System von der Fahrzeugstruktur isoliert werden muss. Zu diesem Zweck setzt man beispielsweise in Wechselrichtern isolierte Gate-Treiber zum Ansteuern von IGBT- oder SiC-Power-Modulen ein.

Inrush-Ströme vermeiden

In BMS-Lösungen wiederum kommen Vorladeschaltungen beim Verbinden der hohen Batteriespannung mit den jeweiligen Subsystemen zum Einsatz, um hohe, potenziell schädliche Inrush-Ströme zu vermeiden. Während die Verbindung oftmals noch mithilfe elektromechanischer Schütze hergestellt wird, bietet sich als kontaktlose Alternative ein Halbleiterrelais auf Basis des isolierten, für 5 kV_eff. ausgelegten Schaltertreibers TPSI3050-Q1 an, der die zehnfache Lebensdauer eines elektromechanischen Relais erreicht und bedeutend weniger Platz beansprucht (Bild 4).

In Netzinfrastruktur-Anwendungen ist die Isolation entscheidend, um Anlagen und Personen vor hohen Spannungsspitzen zu schützen, Erdschleifen zu eliminieren und im Fall von Gleichtakt-Transienten die Datenintegrität zu bewahren. Eine wichtige Rolle spielt hier die Überwachung des Isolationswiderstands.

Das Referenzdesign TIDA-010232 auf Basis des isolierten Verstärkers AMC3330 und des isolierten Schalters TPSI2140-Q1 kommt ohne bewegliche Teile aus, sodass diese Lösung über Jahrzehnte hinweg regelmäßig Messungen vornehmen kann. Da der TPSI2140-Q1 sowohl die Stromversorgung als auch Signale über die Isolationsbarriere übertragen kann, wird keine sekundärseitige Bias-Versorgung benötigt.  (kr)

* Tim Merkin ist R&D-Manager in den Kilby Labs bei Texas Instruments in Dallas.

(ID:49530248)