Analogtipp Hochspannungssysteme: Fehler schnell erkennen

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Lösungen für die schnelle und präzise Fehlererkennung werden umso wichtiger, je mehr die Ausfalltoleranz der Systeme verbessert werden muss. Das ist der Fall bei schnellen Schalttransistoren auf SiC- und GaN-Basis. Wir diskutieren im Analogtipp die verschiedenen Möglichkeiten.

Fehlererkennungs-Mechanismen sind in industriellen Systemen mit hoher Leistung, wie etwa in Antrieben, PV-Wechselrichtern oder Elektrofahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Durch das Messen von Strömen, Spannungen und Temperaturen lassen sich Netzschwankungen ebenso erkennen wie Überlast mechanischer oder elektrischer Natur.

Sobald eine Fehlermeldung erscheint, kann der Host-Mikrocontroller Abhilfemaßnahmen einleiten, indem er das System abschaltet, die Schalteigenschaften der Leistungstransistoren modifiziert oder Trennschalter aktiviert.

Um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Abmessungen zu reduzieren, geht man beim Systemdesign von den bisher verwendeten IGBTs zunehmend auf SiC- und GaN-MOSFETs über, die höhere Schaltfrequenzen von mehr als 100 kHz bieten.

Leistungs-Schalttransistoren schützen: Shunt versus Halleffekt-Sensor

Der Schutz von Leistungs-Schalttransistoren beginnt mit der Detektion von Überströmen mithilfe von Shunts oder Halleffekt-Sensoren. Letztere haben den Vorteil, dass sie als Einzelmodul implementiert werden können, weisen im Gegenzug aber eine unzureichende Messgenauigkeit (insbesondere über die Temperatur) auf.

Weitere Kriterien für die Entscheidung zwischen Shunt- und Halleffekt-Lösungen sind die Isolationseigenschaften und der Primärleiter-Widerstand. Tatsächlich kann der Primärleiter-Widerstand bei Halleffekt-Sensoren bewirken, dass die Erwärmung genau so stark ausfällt wie bei einem Shunt. Hinzu kommt, dass Shunts infolge technologischer Verbesserungen mit deutlich kleineren Widerstandswerten auskommen, was die Wärmeentwicklung verringert.

Wie in Bild 1 zu sehen ist, eignet sich ein isolierter Modulator für die gleichzeitige Überstrom-Detektion und Regelung. Der isolierte Datenausgang (D_OUT) gibt mit deutlich höherer Frequenz eine Abfolge digitaler 1- und 0-Werte aus, wobei der zeitliche Mittelwert dieses Bitstroms proportional zur Höhe der analogen Eingangsspannung ist.

So können digitale Filter im Mikrocontroller das gemessene Signal rekonstruieren. Ein Mikrocontroller kann außerdem mehrere digitale Filter enthalten, von denen einer für die hochgenaue Regelung, ein anderer dagegen für die latenzarme Überstromdetektion konfiguriert ist.

Eine Shunt-basierte Methode mit einem isolierten Modulator kommt sogar auf eine höhere Messgenauigkeit als ein isolierter Verstärker, und die Worst-Case-Schaltzeit für die Überstrom-Detektion beträgt möglicherweise nur 1 µs.

Überstromdetektion mit isolierten Komparatoren

Eine kleine, dabei aber äußerst schnelle Methode zum Detektieren von Überströmen stellt der isolierte Komparator in Bild 2 dar, indem er die Funktionen eines herkömmlichen Komparators und eines Digitalisolators in sich vereint. Für die Regelungsfunktion kann ein isolierter Verstärker oder ein isolierter Modulator herangezogen werden.

Isolierte Komparatoren wie der AMC23C12 bieten sich als kosteneffektive und kompakte Lösung für die Fehlererkennung an. Dank ihrer sehr geringen Latenz von unter 400 ns ermöglichen sie eine schnelle Detektion von Überströmen. Der Baustein enthält einen LDO mit weitem Eingangsspannungsbereich (3 bis 27 V), einen Fensterkomparator und eine Isolationsbarriere, was neben der Halbierung der Leiterplattenfläche auch für eine Senkung des Bauteileaufwands gegenüber einer diskreten Implementierung sorgt.

Mit ihrer einstellbaren Ansprechschwelle und ihrer Worst-Case-Genauigkeit von <3 % zielt die Produktfamilie auf den wachsenden Bedarf an Lösungen für die Detektion von Über- und Unterspannungen, Über- und Unterströmen sowie Übertemperaturen.

Lösungen für die schnelle und präzise Fehlererkennung gewinnen umso mehr an Priorität, je mehr es notwendig wird, die Ausfalltoleranz der Systeme zu verbessern und schnellere Schalttransistoren auf SiC- und GaN-Basis einzusetzen. Die isolierten Komparatoren der AMC23C12-Familie detektieren verschiedene Fehler und helfen so bei der Entwicklung von fehlertoleranten Hochspannungs-Systemen.  (kr)

* Krunal Maniar ist Manager Automotive bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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