Integrierte magnetische Übertrager als Alternative zu diskreten Transformatoren, Optokopplern und monolithischen Pegelumsetzern Galvanische Trennung mit „Coreless Transformer“

Zur Trennung eines Signalpfades werden in der Leistungselektronik üblicher-weise diskrete Transformatoren, Optokoppler oder monolithische Pegel-umsetzer eingesetzt. Mit der „Coreless Transformer“-Technologie steht dem Entwickler nun ein neues Bauelement zur Verfügung, das sich als ernsthafte Alternative – speziell in Applikationen für den kleinen bis mittleren Leistungsbereich – einsetzen lässt.

Integrierte magnetische Übertrager als Alternative zu diskreten Transformatoren, Optokopplern und monolithischen Pegelumsetzern

Von Andreas Volke, Dr. Bernhard Strzalkowski und Mark Münzer

Zur Trennung eines Signalpfades werden in der Leistungselektronik üblicher-weise diskrete Transformatoren, Optokoppler oder monolithische Pegel-umsetzer eingesetzt. Mit der „Coreless Transformer“-Technologie steht dem Entwickler nun ein neues Bauelement zur Verfügung, das sich als ernsthafte Alternative – speziell in Applikationen für den kleinen bis mittleren Leistungsbereich – einsetzen lässt.

Das Prinzip ist immer dasselbe: Es gilt, ein oder mehrere Signale über eine Isolationsbarriere hinweg zu übertragen. In der Leistungselektronik ist eine typische Anwendung hierfür z.B. bei Frequenzumrichtern die Ansteuerung des oberen und unteren IGBT (Bild 1). Hierbei muss der obere IGBT-Ansteuerkreis vom unteren IGBT-Ansteuerkreis getrennt sein. Je nach Leistungs- und Spannungsklasse werden hierfür monolithische Pegelumsetzer, Optokoppler oder diskrete Transformatoren eingesetzt. Wird zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite eine galvanische Trennung gefordert, so kommen letztendlich im Weiteren nur Optokoppler oder diskrete Transformatoren zum Einsatz. Aus Kostengründen wird in der Regel der diskrete Transformator im mittleren bis hohen Leistungsbereich eingesetzt, während der Optokoppler den kleinen bis mittleren Bereich abdeckt, wobei die Übergänge fließend sind. Die Domäne des monolithischen Pegelumsetzers liegt im Allgemeinen bei Anwendungen bis 600 V, wo geringere Anforderungen an die (Quasi-)Isolation gestellt werden. Nichtsdestotrotz werden aber auch Bausteine für Spannungen bis 1200 V angeboten. Hier kann allerdings in aller Regel ein Pegelumsetzer seinen Kostenvorteil nicht mehr voll ausspielen, da die Quasi-Isolation eine große Siliziumfläche beansprucht. Schaut man sich die in der Tabelle aufgeführten Vor- und Nachteile der einzelnen Übertragungskomponenten an, so wäre ein Isolationskonzept wünschenswert, das alle Vorteile in sich vereint und gleichzeitig – soweit möglich – die Nachteile ausschließt. Mit diesem Ansatz wurde von den Firmen eupec und Infineon eine Entwicklung vorangetrieben, deren Ergebnis die so genannte „Coreless Transformer“-Technologie ist. Sie vereint die günstigen Prozesskosten von monolithischen Pegelumsetzern und die hohe Isolationsfestigkeit von Optokopplern bzw. diskreten Transformatoren, ohne deren Nachteile zu übernehmen. Einzig die Übertragung von Energie zur Speisung der sekundären Stufe ist nicht möglich und bleibt den diskreten Transformatoren vorbehalten.

Mikrospulen spannungsfest bis zu 10 kV

Hinter der Bezeichnung „Coreless Transformer“ verbirgt sich eine im Halbleitermaterial eines IC integrierte mikroplanare Spulenanordnung aus primärer und sekundärer Spule. Bei dem Spulenmaterial handelt es sich um Aluminium. Zur Isolation des Eingangskreises gegenüber dem Ausgangskreis wird während der Herstellung zwischen der primären und sekundären Spule eine Schicht aus Siliziumdioxid SiO2 aufgebracht. Die Schichtstärke dieses Oxids wird prozesstechnisch so kontrolliert, dass Gleichspannungsfestigkeiten zwischen den Transformatorenspulen bis zu 10 kV erreicht werden können. Aufgrund des geringen Abstandes beider Spulen im µm-Bereich ist ein Eisen- oder Ferritkern nicht erforderlich, um eine hohe magnetische Kopplung zu erzielen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die parasitäre Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärseite. Durch das angepasste Design der Spulen können Werte unterhalb 1 pF erzielt werden, so dass die wirksame Koppelkapazität durch das IC-Gehäuse und das Leiterplattendesign dominiert wird. Bild 2 zeigt das Ergebnis eines Teilentladungstests, durchgeführt nach IEC 60747-5-5. Es ist zu beachten, dass sich diese Norm auf optoelektronische Bauelemente bezieht, da es zurzeit noch keine spezielle Norm für magnetische Koppler gibt. Angelehnt an die IEC 60747-5-5 soll allerdings bis 2005 durch eine Normungsgruppe ein entsprechender Entwurf vorgelegt werden. Da in der neuen Norm voraussichtlich eine Initialisierungsspannung über einen Zeitraum von 60 s anstatt von 10 s gefordert werden wird, wurde der Teilentladungstest mit entsprechend verlängerter Zeit durchgeführt.

Die „Coreless Transformer“-Technologie eignet sich wegen ihrer Robustheit, der Alterungsbeständigkeit und den dynamischen Eigenschaften sehr gut z.B. für die galvanische Isolierung von MOSFET- und IGBT-Treibern in Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen. Ferner ist sie prädestiniert, die Isolationsstrecke in A/D- bzw. D/A-Wandlern sowie in digitalen Kopplern zu bilden (Bild 6). Übertragungsraten bis zu 100 MHz sind prinzipiell kein Problem. Bei der Betrachtung der Spannungsebene, bei der die „Coreless Transformer“-Technologie eingesetzt werden kann, ist zum einen die Isolationsfestigkeit der Siliziumdioxidschicht zwischen den Spulen zu beachten. Zum anderen spielt aber auch die Geometrie des eingesetzten IC-Gehäuses eine entscheidende Rolle. Die Einhaltung geforderter Luft- und Kriechstrecken am Gehäuse nach IEC 61800-5-1 macht IC-Lösungen aufgrund der Kostensituation bis 1200 V attraktiv. Üblich sind hier Abstände/Abmessungen zwischen 4 und 8 mm. Mit Einschränkungen sind solche ICs auch für Applikationen bis zu 1700 V einsetzbar.