MEMS-Leistungsrelais jetzt auch für hohe Spannungen

Auf der APEM hat Menlo Micro ein MEMS-Relais vorgestellt, das für hohe Spannungen bis 200 V ausgelegt ist. Dieses Konzept eines Leistungsrelais könnte herkömmliche Relais verdrängen.

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Relais werden häufig in Anwendungen verwendet, die ein isoliertes Kleinsignal zur Steuerung eines Hochspannungskreises benötigen. Die Funktion des Relais besteht darin, den Hochspannungskreis durch ein elektrisch isoliertes kleines Steuersignal ein- und auszuschalten.

Elek­tromechanische Relais, die von Magnetspulen angetrieben werden, und Halbleiterrelais auf der Basis von Silizium werden in industriellen Anwendungen häufig verwendet.

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Das elektromechanische Relais ist für seinen niedrigen Durchlasswiderstand, seine hohe Sperrspannung und seine große Stromtragfähigkeit bekannt. Das Halbleiterrelais zeichnet sich durch eine geringe Größe, die einfache Massenproduktion und die einfache Integration auf dem Chip aus. Nachteilig beim elektromechnischen Relais sind der mechanische Verschleiß der Schaltkontakte, die Hochspannungsansteuerung und langsame Reaktionszeiten.

Halbleiterrelais haben einen relativ großen Einschaltwiderstand und benötigen eine große Wärmesenke, um die auftretenden Wärme abzuführen. Darüber hinaus begrenzt der Optokoppler, der die Steuersignale in Halbleiterrelais überträgt, die Schaltgeschwindigkeit und verlangsamt so die Antwort des Systems.

Was MEMS-Schalter prädestiniert und limitiert

Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) vereinen die Vorteile von Halbleiterrelais und elektromechanischen Relais in Niederspannungs-Anwendungen.

Als MEMS-Schalter in den 1980er Jahren auf den Markt kamen, punkteten sie damit, dass die elektromechanischen Kontakte sehr stark miniaturisiert werden konnten. Das Problem war, dass die winzigen Kontakte der MEMS-Schalter nur geringe Ströme vertrugen. Auch Lichtbogenbildung und Erwärmung beeinträchtigten die Lebensdauer des Schalters.

Menlo Micro, ein in Irvine, U.S.A., ansässiges Unternehmen, das aus Forschungslabors von General Electric ausgegliedert wurde, entwickelt den MEMS-Schalter aus einer neuen Perspektive. Mit speziellen Metalllegierungen und Fertigungstechniken sowie einem neuen Relais-Konzept hat das Start-up das Stromproblem gelöst: Auf der APEM präsentierten die Entwickler mit dem Digital-Mikro-Switch (DMS) einen MEMS-Schalter für 200 V / 10 A.

Wie das DMS-Leistungsrelais funktioniert

Die DMS-Technologie ermöglicht extrem kleine, leichte Leistungsrelais, die die besten Eigenschaften von Halbleiter- und elektromechanischen Relais kombinieren. Ein MEMS-Schalter mit der Größe von 5 mm × 5 mm im QFG-Gehäuse ist in Bild 2 dargestellt. Er führt einen Strom von mehr als 3 A bei einer Schaltspannung von 200 V. Zum Schalten sind Ströme im Pico-Ampere-Bereich notwendig.

Die Vorteile sind:

• geringe Kosten durch Oberflächen-Mikrobearbeitungstechniken;

• längere Lebensdauer: mehr als 3 Milliarden Schaltzyklen;

• nahezu kein Stromverbrauch und extrem niedrige Einfügedämpfung;

• einfaches Parallelschalten von Chips aufgrund der positiven Temperaturkoeffizienten.

Im DMS ist ein Hilfs-MOSFET parallel zu einem MEMS-Schalter geschaltet, um eine Spannung von Null (oder nahe Null) zu realisieren. Der preisgünstige MOSFET schützt den MEMS-Schalter. Er wird vor dem MEMS-Schalter aktiviert, wodurch eine Kommutierung von einer Spannung von nahezu Null erreicht wird. Beim eigentlichen Schaltvorgang ist der MEMS-Schalter mit niedrigem Einschaltwiderstand eingeschaltet und der MOSFET ist ausgeschaltet.

Ein Transformator trennt Steuer- und Leistungsseite. Über ihn erfolgt sowohl die Energieübertragung als auch die Ein-Aus-Steuersignalübertragung. So wird die Größe des MEMS-Relais reduziert. Durch den elektrostatischen Antrieb liegt die Schaltenergie im Bereich von pA. Die Zuverlässigkeit bei Hochspannungs- und Hochstromanwendungen wird durch speziell entwickelte Metalllegierungen und Fertigungsverfahren für den Relaisantrieb und die Kontakte gesteigert.

Die Schalter wurden sowohl materialseitig als auch durch Fehleranalyse optimiert, was auch zukünftig zu weiteren Leistungsverbesserungen führen soll.

100 V / 10 A ohne Lichtbogen

Da die elektrischen Kontakte näher beieinander liegen, können die miniaturisierten Schalter und die skalierbare Architektur 100 V und 10 A ohne Lichtbogenbildung verarbeiten. Damit kombiniert die Relaisschaltung die Vorteile von MOSFET- und MEMS-Schaltern und könnte elektromechanische Relais und Halbleiterrelais in vielen Anwendungen verdrängen.

Die Ausgänge des isolierten Treibers umfassen einen 75-V-Hochspannungs-Gate-Treiber für den MEMS-Schalter und einen 12-V-Niederspannungstreiber für den MOSFET. Er überträgt auch das Steuersignal von der Leistungsseite zur Steuerseite und erzeugt beide Gate-Signale.

Die Relais haben eine Lebensdauer von mehr als drei Milliarden Zyklen und sollen perspektivisch 20 Milliarden erreichen. Der Fertigungssprozess für ein DMS ist relativ einfach und besteht nur aus 12 Schritten.

Menlo hat über 200 MEMS-Hochspannungsschalter mit vollständig integriertem Schutz und Steuerung in ein Evaluierungsboard (Smart Power Relay) integriert. Die kreditkartengroße Karte ist für einen Gleichstrom von 10 A ohne Kühlkörper ausgelegt.

Während das MEMS-Leistungsrelais von Menlo Micro die galvanische Isolation herkömmlicher elektromechanischer Relais beibehält, ermöglicht es die Integration in traditionelle Halbleitergehäuse (wie SiP oder MCM) und bildet so die Basis für eine weitere Skalierung wie sie in der Halbleitertechnik üblich ist.

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