Elektroniknet Logo

HV-Trennschalter-Referenzdesign

Smarte HV-eFuse für Elektrofahrzeuge

Rutronik
Illustration des Hochvolt-Trennschalters, den die Automotive-Abteilungen von Rutronik und Vishay gemeinsam entworfen haben.
© Rutronik

Rutronik ABU und Vishay haben ein neues Referenzdesign für einen High Voltage Circuit Breaker mit einer maximalen Abschaltleistung von 40 kW entwickelt. Damit werden auf der Hochvoltseite Nebenaggregate sicher vom Rest der elektrischen Fahrzeugarchitektur getrennt, um größeren Schaden zu vermeiden.

Schaltungstechnisch besteht der HV-Trennschalter, den die Automotive Business Unit (ABU) von Rutronik und die Automotive-Sparte von Vishay realisiert haben, aus einer isolierten 800-V-Powerstage mit einer 12-V-Mess- und Auswerteelektronik und einem Aurix TC375 Lite Kit. Umgesetzt wird das Konzept des HV-Trennschalters in der Schaltstufe mit Hochleistungshalbleitern der aktuellen SiC-Generation von Rohm, einer galvanischen Trennung der Messkanäle, präzisen Shunts, Optokopplern und sämtlichen Schutzbauteilen von Vishay. Dazu kommt die Ansteuerung über einen Aurix-Mikrocontroller der zweiten Generation von Infineon.

Mit den 1200-V-SiC-MOSFETs im SMD-Gehäuse und einer genau abgestimmten Ansteuerung über einen SiC-Gatetreiber kann der HV-Trennschalter Leistungen von bis zu 40 kW schalten. Die dabei entstehende Verlustleistung erreicht circa 16 W, die Wärme kann bei Raumtemperatur (25 °C) passiv abgeleitet werden. 

Ausstattung des HV-Trennschalters

Der HV-Trennschalter verfügt über einen Vorladepfad, mit dem kapazitive Lasten über einen SiC-MOSFET, in Reihe geschaltete Vorladewiderstände und zwei implementierten Pre-Charge-Modi (13 ms bzw. 130 ms) vorgeladen werden können, um somit einen möglichen Überstrom beim Einschalten zu verhindern. Die Ansteuerung der Haupt-MOSFETs ist über einen galvanisch getrennten SiC-Treiber realisiert (BM61S41RFV von Rohm). Die Ansteuerung des Vorlade-MOSFETs übernimmt ein galvanisch getrennter Optokoppler mit Phototransistorausgang. Der maximale Laststrom des Trennschalters lässt sich entweder über den Mikrocontroller oder im Stand-Alone-Betrieb individuell über ein Potentiometer einstellen.

Die Powerstage verfügt über präzise Shunts von Vishay, die sich durch ihre genaue bi-direktionale Messung des Batteriestroms auszeichnen. Signale der Strom-/Spannungsmessung werden galvanisch getrennt (Floating Measurement) übertragen, durch Messsignalverstärker aufbereitet und an den Mikrocontroller weitergegeben. Die galvanische Trennung zur 12-V-Seite erfolgt über die linearen Vishay-Automotive-Optokoppler VOA300.

Acht Hochspannungs-MLCCs von Vishay, von denen jeweils zwei in Reihe geschaltet sind, realisieren auf der HV-Seite die galvanisch getrennte Spannungsversorgung sowohl der Messsignalverstärker als auch des SiC-Treibers und der Optokoppler. Diese Versorgung beinhaltet eine Push-Pull-Treiberstufe mit 50 kHz. Das Aurix-Board wird über eine Kabelverbindung angeschlossen und kann nach erfolgreicher Verbindung über eine bereits implementierte Software die aufbereiteten Messwerte ausgeben. Die Konfiguration und das Auslesen von Messwerten der eFuse mit Aurix-Steuerung erfolgt mittels einer vorhandenen CAN-Schnittstelle.

Exakte Messungen, Diagnosefunktion und Schutzvorkehrungen

Neben den präzisen Strom- und Spannungsmessungen verfügt das Konzept zusätzlich über eine Diagnosefunktion und weitere Schutzmaßnahmen, wie die Over-Current-Detection mit einstellbarem Threshold, In- & Output-Transientenschutz sowie zusätzlichen TVS-Dioden für die Sicherung der Stromversorgung. Die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung erfolgt über ratiometrische Schwellwerte, welche somit auch eine Benutzung für 400-V-Systeme ermöglicht. Um Spannungs-Fluktuationen aufgrund eines hohen Treiberausgangsstroms zu reduzieren, wird der SiC-Haupttreiber über einen Polymer-Tantal-Kondensator der T51-Serie von Vishay gepuffert.

Außerdem verfügt das Referenzdesign über eine Status-Anzeige mit LEDs sowie zwei Taster zum manuellen Steuern. Ausgestattet mit einem Gehäuse, das den Zugang zu allen Messpunkten erlaubt, ist auch der Berührungsschutz gewährleistet.

Relevante Anbieter


Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH, Vishay Intertechnology Inc., Vishay Electronic GmbH