Power-Tipp: Inrush-Ströme Vorladeschaltungen für Hochspannungs-Systeme

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In Systemen mit Spannungen über 100 V können hohe Inrush-Ströme nicht nur zu Schäden an Kabeln oder Steckverbindern, sondern auch zum ungewollten Ansprechen von Sicherungen führen. Vermeiden lassen sich diese Ströme durch das Vorladen des Systems. Welche Vorteile bringen hier Halbleiterrelais?

Bei einer Vorladeschaltung können Sie auf ein Vorladeschütz zurückgreifen oder eine Lösung mit einem Halbleiterrelais verwenden. Für viele Anwendungen empfiehlt es sich, mit dem isolierten Schaltertreiber TPSI3050-Q1 und externen FETs ein Halbleiterrelais für diese Aufgabe zu bauen. Wir erklären in diesem Power-Tipp warum.

Bild 1 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel für eine Vorladeschaltung, wie sie unter anderem in Elektrofahrzeugen anzutreffen ist. Die Hochspannungs-Batterie (links) ist über ein plus- und ein minusseitiges Schütz und ein Vorladeschütz mit dem Gleichspannungszwischenkreis-Kondensator und der Last (rechts) verbunden.

Zunächst ist die Batterie, wie gezeigt, von der Last getrennt und der Zwischenkreiskondensator ist noch nicht geladen. Aus diesem Zustand wechselt das System in den Vorladezustand, in dem das Vorladeschütz und das minusseitige Schütz schließen, woraufhin sich der Zwischenkreiskondensator über den Widerstand R bis fast auf die Eingangsspannung auflädt.

Als nächstes öffnet das Vorladeschütz, während das plusseitige Schütz schließt. Da sich der Kondensator bereits aufgeladen hat, kommt es hierbei zu keinem hohen Inrush-Strom, und das System arbeitet normal.

Isolierter Treiber und FET kombiniert: Die Vorteile

Die Besonderheit des Bausteins TPSI3050-Q1 liegt darin, dass er als isolierter Schaltertreiber fungieren, Schalter schnell deaktivieren und seine eigene Bias-Spannung erzeugen kann, was der Flexibilität und Zuverlässigkeit zugutekommt und kleinere Abmessungen ergibt.

Der Baustein lässt sich mit externen FETs oder IGBTs zu einem Halbleiterrelais kombinieren, das als Ersatz für ein elektromechanisches Relais oder Schütz dienen kann. Halbleiterrelais sind zuverlässiger, leichter und kleiner und weisen keine beweglichen Teile auf, weshalb sie keine Geräusche erzeugen und keinem mechanischen Verschleiß unterliegen. Folglich ist mit dem Chip eine zuverlässige und kosteneffektive Isolation realisierbar.

Die Fähigkeit des Bausteins zum schnellen Deaktivieren von Schaltern ist unter anderem bei Überhitzungen oder Überstrom nützlich. Seine Ansprechzeit beträgt weniger als 3 µs, während bei Relais (abhängig von Relaisanker und Federkraft) Werte zwischen 1 und 50 ms anzusetzen sind.

Ein weiterer Vorteil des Bausteins ist, dass er aus der primärseitigen Versorgungsspannung seine eigene Bias-Versorgung generieren kann. Sekundärseitig steht eine potenzialfreie Spannung von 10 V zur Verfügung, die zum Ansteuern verschiedener Leistungsschalter genutzt werden kann.

Geeignet sind beispielsweise Leistungsschalter in Back-to-Back-Konfiguration für AC-Anwendungen, einzelne Leistungsschalter für DC-Systeme, SCRs unterschiedlicher Art usw.

Eine Vorladeschaltung mit Halbleiterrelais bauen

In Bild 2 ist eine Vorladeschaltung zu sehen, in der der TPSI3050-Q1 mit externen MOSFETs kombiniert ist. Der IC wird hier primärseitig mit seiner niedrigen Versorgungsspannung an U_DDP und U_SSP versorgt und über das Signal EN gesteuert. Sekundärseitig ist der U_DRV-Pin mit Back-to-Back-MOSFETs in Common-Source-Konfiguration verbunden. Liegt am EN-Pin ein High-Status, überträgt der Chip die entsprechende Information von der Primär- an die Sekundärseite, um U_DRV zu aktivieren. Umgekehrt wird U_DRV deaktiviert, sobald der Status am EN-Pin auf Low wechselt.

Fazit: Eine Vorladeschaltung auf Basis des TPSI3050-Q1 verringert die Belastung elektrischer Systeme und vermeidet Schäden, ohne dass dafür auf verschleißanfällige elektromechanische Schütze oder Relais zurückgegriffen werden muss. Die Halbleiterrelais-Lösung ist zuverlässiger, benötigt weniger Platz und weist vor allem eine kürzere Reaktionszeit auf. Die höhere Leistungsdichte stellt einen weiteren Vorteil dar. (kr)

* Claire Chang ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA. Tilden Chen ist Applikationsingeneur bei Texas Instruments in Dallas / USA:

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