Elektronische Relais verwenden

Sichere Verbindung mit der 48-V-eFuse

19. Mai 2022, 9:00 Uhr | Von Stefan Volkmann, Manager Field Application Engineer im Business Development Automotive bei Vishay Intertechnology
Vishay
Bild 1: Die von Vishay entwickelte Sicherung ist für eine beidseitig bestückte FR4-Leiterplatte ausgelegt.
© Vishay

Vishay zeigt mit einem Referenzdesign, welche Vorteile im Rahmen des 48-V-Bordnetzes der Ersatz mechanischer Relais durch elektronische bietet. Da die Halbleiter in ihren Schaltzyklen nicht begrenzt sind, ist eine dauerhafte Anwendung als Sicherung oder Trennschalter möglich.

Mit dem Umstieg auf ein 48-V-Bordnetz verändern sich auch die Anforderungen an Sicherungen und Trennschaltern. Wegen der höheren Spannung von 48 V eignen sich mechanische Relais nur noch bedingt, denn die höhere Spannung hat zur Folge, dass der Lichtbogen beim Öffnen des Relais später bricht; dies schränkt die Lebensdauer des Relais ein. Außerdem kann der entstehende Lichtbogen zu einer Störung im Bordnetz führen.

Aus diesem Grund werden mechanische Relais in aktuellen Fahrzeugmodellen mehr und mehr mit rückstellbaren Sicherungselementen auf Basis von Leistungshalbleitern ersetzt. Eine elektronische Sicherung oder E-Fuse ist ein innovativer Trend, um sowohl Personen als auch das Fahrzeug selbst vor elektrischer Überlast zu schützen. Durch den Einsatz einer elektronischen Sicherung ist das mechanische Relais mit seinen technischen Nachteilen erfolgreich ersetzbar.

Vishay bietet ein Referenzdesign einer E-Fuse für den Einsatz im 48-V-Bordnetz. Damit lässt sich nicht nur die technische Machbarkeit einer solchen Anwendung zeigen, sondern auch die Leistungsfähigkeit der eigenen Leistungshalbleiter. So ermöglichen der Einsatz der neuesten Technologien und Entwicklungen die Realisierung einer 200-A-Sicherung im kompakten Design auf einer 125 × 60 mm2 großen FR4-Leiterplatte.

Durch die Back-to-Back-Konfiguration der MOSFETs ist das Referenzdesign für bidirektionalen Betrieb ausgelegt. Der Maximalstrom wird mittels eines Strommesswiderstands aus der Power-Metal-Strip-Serie gemessen. Diese niederohmigen Widerstände eignen sich speziell für die präzise Strommessung in Automotive-Anwendungen. Manuell lässt sich die Stromstärke zum Abschalten von 1 bis 200 A mit einem Potenziometer einstellen oder ist per Controller steuerbar.

Beim Überschreiten der maximal erlaubten Stromstärke wird der Stromkreis durch die MOSFETs innerhalb von etwa 1 µs unterbrochen. Diese schnelle Reaktion ist wichtig, um Personen und die weitere Hardware im Fahrzeug vor der Überlast zu schützen. Ziel des Referenzdesigns ist es, einen modularen Aufbau mit diskreten Halbleitern zu zeigen. Der modulare Aufbau mit mehreren MOSFETs in Parallelschaltung ermöglicht die Anpassung der Sicherung auch an andere Leistungsklassen oder Anforderungen. Zudem ermöglicht die breite Auswahl an Widerständen von Vishay die Anpassung der Stromsensorik an die entsprechende Leistungsklasse.

Über die parallele Verschaltung von mehreren Leistungs-MOSFETs wird eine hohe Stromtragfähigkeit von bis zu 200 A mit niedriger Verlustleistung erreicht, wie in Bild 2 dargestellt. Dank der Parallelschaltung mehrerer MOSFETs ist das Design auch recht einfach an geänderte Anforderungen anpassbar. Im Referenzdesign kommen Halbleiter der aktuellen Generation von Vishay zum Einsatz. Ein niedriger Bahnwiderstand und die Parallelschaltung realisieren eine sehr niedrige Verlustleistung von rund 14 W bei einem Stromfluss von 200 A.

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Bild 2: Die Parallelschaltung der Halbleiter ermöglicht einen modularen Aufbau der Sicherung.
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Bei Dauerbetrieb mit der maximalen Stromstärke von 200 A wurde eine Erwärmung der MOSFETs und der Platine von rund 75 °C gemessen. Dadurch kommt die elektronische Sicherung auch im fordernden Einsatz im Automobil ohne zusätzliche Kühlung aus. Dies kann im Design nur durch den Einsatz von elektrisch und thermisch optimalen Bauteilen erreicht werden. Hier erweist sich das PowerPAK 8x8L als die richtige Wahl, denn der thermisch optimierte Aufbau erzielt eine sehr gute Entwärmung der MOSFETs. Zudem eignet sich das Gehäuse für Anwendungen mit hohen Anforderungen, da die Lötstellen durch die speziell gebogene Anschlussform robust gegenüber thermischer Ausdehnung sind.

Zur Optimierung des Designs oder auch für höhere Ströme sind die eingesetzten MOSFETs auch in einer gewendeten Version verfügbar. Damit kann eine direkte Kontaktierung des Kühlkörpers mit der Lötstelle des Drain-Kontaktes erfolgen. Die direkte Anbindung des Halbleiters an das Kühlsystem verringert den thermischen Widerstand zwischen Siliziumchip und Kühlsystem. Dadurch kann die Stromtragfähigkeit des MOSFET erhöht werden, was wiederum eine größere Leistung des Designs ermöglicht. Messen lässt sich die Temperatur der Leistungs-MOSFETs wird mittels SMD-NTC-Temperatursensoren, und die Belastung der Halbleiter lässt sich somit überwachen.

Messwiderstände der Power-Metal-Strip-Serie eignen sich in erster Linie zur präzisen Messung von Strömen. Diese Technologie ist über den kompletten Arbeitsbereich sehr stabil gegenüber Störungen durch Umgebungseinflüsse wie Temperatur- oder Spannungsänderungen. Dies unterscheidet die Strommessung mittels Messwiderständen von anderen Messverfahren, die Einschränkungen beim Mess- oder Temperaturbereich aufweisen. Weil Messwiderstände der Power-Metal-Strip-Serie bei Vishay in verschiedenen Leistungs- und Ohmwerten verfügbar sind, ist es möglich, das Design auch an andere Leistungsanforderungen anzupassen.

Dünnschicht-Widerstands-Arrays kommen in der Verstärkerschaltung zum Einsatz, um den Strom präzise zu messen. Diese Bauteile nutzen die Vorteile von diskreten Dünnschichtwiederständen und die Tatsache, dass hier nur ein Bauteil genutzt wird. Schon während der Fertigung werden die beiden Widerstände des Arrays genau aufeinander abgestimmt. Dadurch ergibt sich ein nahezu identisches Verhalten der Bauteile bei eventuellen Störungen, das Verhältnis der Widerstände bleibt somit identisch und die Messgenauigkeit lässt sich signifikant verbessern.

Ein Ersatz von mechanischen Relais durch eine elektronische Sicherung mit Halbleitern, das zeigt das Referenzdesign, ist möglich und sogar vorteilhaft. Durch diesen Ansatz können Störungen auf das Bordnetz und auf andere Geräte im Fahrzeug reduziert werden. Außerdem sind Halbleiter nicht in der Anzahl der Schaltzyklen begrenzt, was eine dauerhafte Anwendung als Sicherung oder Trennschalter erlaubt. Durch den modularen Aufbau der E-Fuse lässt sich das Design recht einfach an geänderte Anforderungen anpassen und verfeinern. Das Design ist frei zugänglich und neben anderen Designs unter zu finden.


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