Mikrotransformatoren Potentialtrennung für Daten, Impulse und Stromversorgung

iCoupler Isolation Technology
iCoupler Isolation Technology

Bei der Entwicklung von Motorsteuerungen gibt es zwei Herausforderungen: Es müssen Informationen über die Motorströme über eine Isolationsstrecke zum Controller transportiert werden. Und es sind isolierte Gate-Treibersignale für die Schalter auf der „High Side“ erforderlich. Isolatoren mit Mikrotransformatoren überwinden die Einschränkungen, denen Optokoppler und Impulstransformatoren unterliegen.

Für die Ansteuerung von modernen kollektorlosen Synchronmotoren werden mit IGBTs bestückte Brücken-Wechselrichterschaltungen verwendet, deren Steuersignale in der Regel von einem Mikrocontroller erzeugt werden, der bereits die Ausgangsstufen für die Pulsbreiten-Modulation mit integriert.

Bei der Nutzung einer solchen „rein“ digitalen Motoransteuerung müssen die Signale vom Mikrocontroller zur Leistungsendstufe und umgekehrt potentialfrei übertragen werden. Dabei werden für die Bestimmung der Motorströme Shunts oder Hall-Sensoren verwendet. Die auf Shunts basierenden Strommessungen sind preiswert, hochgenau sowie immun gegen Rauschen. Allerdings ist eine Isolation der digitalen Signale erforderlich, um zwischen den Shunts und dem Motortreiber-Controller A/D-Wandler verwenden zu können, die die analogen Messwerte digitalisieren. Die dafür verwendbaren Optokoppler weisen Nachteile hinsichtlich Systemleistungsfähigkeit, Kosten und Zuverlässigkeit auf. Außerdem degradieren sie mit der Zeit, haben eine begrenzte Bandbreite und bereiten bei der Integration digitaler Schnittstellen Schwierigkeiten.

Um die Gate-Treibersignale für die „High Side“-Schalter potentialfrei anbinden zu können, lassen sich entweder Impulstransformatoren oder Optokoppler verwenden. Schaltungen mit Optokopplern weisen jedoch zu lange Laufzeitverzögerungen auf, was ein exaktes Timing der Gate-Treiber verhindert. Darüber hinaus machen die Optokopper eine externe, galvanisch getrennte Stromversorgung erforderlich. Impulstransformatoren übertragen den Gleichspannungsanteil nicht korrekt, zudem werden zusätzliche diskrete Bauteile benötigt.

Darüber hinaus sind die Möglichkeiten des Designs bei Änderungen des Tastverhältnisses deutlich eingeschränkt. Gate-Treiber-Schaltungen hingegen, die für die Impulsübertragung Mikrotransformer-Isolatoren verwenden und mit einer „High Side“-Versorgung betrieben werden, sind keinerlei Einschränkungen bei Änderungen des Tastverhältnisses unterworfen.  

Isolatoren mit Mikrotransformatoren

Ein Beispiel für einen Isolator mit Mikrotransformatoren ist die iCoupler-Familie von Analog Devices. Mit den Bausteinen lassen sich sowohl Signale als auch die Stromversorgung isolieren. Verfügbar ist z.B. ein vierkanaliger Isolator mit einem vollständig integrierten, isolierten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) im 16-poligen SOIC (Small Outline Integrated Circuit). Der Mikrotransformator ist hier durch übereinander gestapelte „Wicklungen“ realisiert, die als Schicht über dem CMOS-Substrat liegen.

Auf einem Chip sind spannungsfeste CMOS-Schalter integriert, während sich auf einem anderen Chip die Dioden und die Steuerung der Stromversorgung befinden. Zwei über Kreuz gekoppelte Schalter und der Transformator bilden den Oszillator. Die implementierten Schottky-Dioden ermöglichen eine schnelle, effiziente Gleichrichtung. Die Transformatoren befinden sich in der Mitte. Bei oben angeführter Implementierung befinden sich die Transformatoren auf separaten Chips. Jedoch ist der Prozess zur Herstellung der Transformatoren zu den Standard-CMOS-Fertigungsprozessen kompatibel. Prinzipiell lassen sich damit die Spulen auf den gleichen Chips wie die Schalter oder die Schottky-Dioden implementieren.

Bei dem Transformator-Chip dienen die zwei „größeren“ Transformatoren der Leistung, während der „kleine“ Transformator das Rückkopplungs-PWM-Signal überträgt. Ein anderer Transformator-Chip enthält vier zusätzliche Mikrotransformatoren für den vierkanaligen Isolator zur Datenübertragung. Auch die Codierungs- und Decodierungs-Schaltungen für die vierkanaligen Isolatoren sind enthalten.

Die Übertragung von digitalen Signalen über die Isolationsstrecke funktioniert durch geeignete Codierung auf der Primärseite und Decodierung auf der Sekundärseite, welche die Signale des Eingangs zurückgewinnt. Spezielle kurze Impulse von etwa 1 ns Länge werden über die Transformatoren übertragen. Dabei indizieren zwei aufeinander folgende kurze Impulse eine steigende Flanke und ein einziger kurzer Impuls eine fallende Flanke. Ein monostabiles Flipflop auf der Sekundärseite erzeugt dann die Ausgangsimpulse. Bei zwei Impulsen am Eingang geht der Ausgang auf „High“; bei einem einzelnen Impuls in den „Low“-Zustand.

Übertragung von Daten, Impulsen und Leistung

Zur Übertragung von elektrischer Leistung über die Isolationsstrecke werden die Mikrotransformatoren bei hoher Frequenz in Resonanz geschaltet. Somit erhält man einen effizienten Energietransfer. Die Energie wird mit einem niederfrequenten PWM-Rückkopplungssignal (Pulsbreitenmodulation) geregelt. Das PWM-Signal steuert das Tastverhältnis für diese hochfrequente Resonanz. Sowohl die Transformatorschalter als auch die Schottky-Dioden, die für die Gleichrichtung verwendet werden, sind auf dem Chip integriert. Eine Isolationsspannung bis zu 5 kVeff wird durch 20 µm dicke Polyimid-Layer erreicht, die sich zwischen den Primär- und den Sekundärwindungen befinden.

Ähnlich lassen sich vollständig integrierte Halbbrücken-Gate-Treiber, isolierte A/D-Umsetzer und isolierte Transceiver realisieren. Die Integration des isolierten DC/DC-Wandlers mit einem einzelnen Isolator löst ein für Optokoppler typisches Problem. Dabei handelt es sich darum, dass hier eine diskrete, isolierte Stromversorgung entwickelt werden muss. Der diskrete DC/DC-Wandler ist relativ groß und teuer, seine Entwicklung ist schwierig. In vielen Fällen bietet er auch keine ausreichende Isolation.

Eine gleichzeitige Isolation von Signalen und Stromversorgung bietet Möglichkeiten für die Integration mehrerer Funktionen. Dies vereinfacht die Entwicklung, reduziert die Abmessungen und senkt die Gesamtkosten von Systemen mit galvanischer Trennung. Digitale Stromversorgungen sind programmierbar, einfach in der Handhabung und bieten eine höhere Leistungsfähigkeit. Außerdem können sie zur Implementierung komplexer Steueralgorithmen in Verbindung mit modernen, leistungsstarken Prozessoren eingesetzt werden. Auf diese Art lassen sich eine höhere Effizienz und kürzere Transientenverläufe erreichen.

Eine der größten Hürden bei der Einbindung einer digitalen Steuerung in Systeme mit isolierten Stromversorgungen besteht darin, dass statt analoger Signale digitale Informationen über die Isolationsstrecke übertragen werden. Herkömmliche Optokoppler, die in der Regel in analogen Schnittstellen verwendet werden, haben niedrige Grenzfrequenzen und lassen sich nur schwer integrieren.

Eine Isolation der Steuerung mittels Mikrotransformatoren eliminiert diese Nachteile. Bei Stromversorgungen mit sekundärseitigen Controllern ist es erforderlich, Informationen über die Primärspannung auf die Sekundärseite zu übertragen. Für Stromversorgungen, die mit dem SMBus oder dem PMBus ausgerüstet sind, können vollständig integrierte I 2 C-iCoupler-Bauteile wie der ADuM1250/1251 mit 2,5 kV Isolationsspannung oder die Bauteile ADuM2250/2251 mit 5 kV Isolationsspannung verwendet werden.

Halbbrücken-Gate-Treiber auf der Basis von Mikrotransformatoren sind ebenfalls nützlich für den Aufbau von Stromversorgungen mit primärseitigen Controllern, da sie eine Isolation für die „High Side“ bieten, selbst wenn die „Low Side“ und der Primär-Controller auf das gleiche Massepotential bezogen sind. Zusätzlich wären zweikanalige Isolatoren erforderlich, um die synchronen Gleichrichtersignale von der Primär- auf die Sekundärseite zu schicken.