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

Galvanische Trennung mit „Coreless Transformer“

15. November 2006, 17:06 Uhr |

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Integration weiterer Funktionen

Dipl.-Ing. Andreas Volke studierte an der Fachhochschule Soest Elektrische Energietechnik. Nach langjähriger Auslandstätigkeit bei der Siemens AG im Telekommunikationsbereich wechselte er 2003 zur eupec GmbH. Dort ist er seitdem zuständig für die Applikationsunterstützung und die Spezifikation von Treiber- und Mixed-Signal-ICs, basierend auf der „Coreless Transformer“-Technologie.
E-Mail: info@eupec.com
Dipl.-Ing. Mark Münzer studierte an der RWTH Aachen Leistungselektronik. Nach dem Abschluss 1998 fing er bei der eupec GmbH an, wo er seit 2003 die Entwicklung von Medium-Power-Leistungshalbleiter-modulen leitet. Zu seinen Tätigkeiten zählt die Entwicklung von Ansteuerbausteinen auf Basis der „Coreless Transformer“-Technologie.
E-Mail: info@eupec.com
Dr. Bernhard Strzalkowski arbeitete nach dem Studium der Elektrotechnik zunächst bei der Firma Magnet Motor in Starnberg an der Entwicklung von Stromversorgungen und Frequenzumrichtern. Seit 1997 bei Infineon Technologies AG (ehemals Siemens HL), arbeitete er zuerst in der Ausfallanalyse und Qualitätssicherung von IGBT-Modulen. Danach hat er sich mit der Integration von elektronischen Systemen in der Leistungselektronik beschäftigt. Aktuell ist er zuständig für die Entwicklung und Einführung der Produkte, die in der Technologie der integrierten planaren Transformatoren aufgebaut sind.
E-Mail: info@eupec.com

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Zur Signalübertragung über die Isolationsstrecke, d.h. den Coreless Transformer, wird primärseitig ein Sender und auf der Sekundärseite ein Empfänger benötigt. Aufgabe des Senders ist die Aufbereitung, Codierung und Verstärkung anliegender Nutzsignale, die in der Regel als Rechtecksignale vorliegen. Entsprechend integriert der Empfänger einen Detektor und einen Decoder, die die Eingangssignale rekonstruieren. Dieser Schritt ist notwendig, da über ein Spulenpaar nur Spannungsänderungen, also jeweils die ansteigende oder abfallende Flanke des Rechtecksignals, übertragen werden können. Neben der reinen Modulation und Demodulation können Sender und/oder Empfänger Fehlerkorrekturschaltungen umfassen. Diese sind im einfachsten Fall digitale Filter, aber auch komplexe Auswerteschaltungen sind möglich. Räumlich befinden sich Sender sowie Empfänger und der Coreless Transformer auf zwei unterschiedlichen Chips, die durch Bonddrähte über Pads miteinander verbunden sind (Bild 3). Zur Verbesserung des Übertragungsverhaltens besteht auch die Möglichkeit, dass anstatt eines Spulenpaares zwei Paare eingesetzt werden (Bild 4). Eine solche Anordnung in Verbindung mit Filtern stellt eine einfache Methode zur Erkennung und Unterdrückung von (symmetrischen) Gleichtaktstörungen dar. Stellt man ferner durch die IC-Layout-Topologie sicher, dass ein symmetrischer Aufbau des Senders, der Übertrager und des Empfängers vorliegt, ist mit hinreichender Genauigkeit davon auszugehen, dass keine asymmetrischen Störungen auf der Übertragungsstrecke auftreten.

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Bild 3. Der Coreless Transformer basiert auf der magnetischen Kopplung zweier Spulen, die auf einem Halbleiter-Chip untergebracht und durch eine Siliziumdioxidschicht voneinander isoliert sind.

Mit der „Coreless Transformer“-Technologie lassen sich sehr kurze Signallaufzeiten (bezogen auf eine Übertragungsstrecke; Propagation Delay) erzielen und Laufzeitunterschiede (bezogen auf mehrere Übertragungsstrecken; Propagation Delay Mismatch) anpassen. Liegen diese Werte bei gängigen Treiberbausteinen mit Optokopplern oder monolithischen Pegelumsetzern für 1200 V im Bereich von 100 bis 1000 ns für die Signallaufzeiten und 10 bis 350 ns für Laufzeitunterschiede, so erreicht ein bereits in Serie verfügbarer Treiberbaustein mit Coreless Transformer Werte von 55 ns bzw. 10 ns. Zu beachten ist hierbei, dass es sich bei diesen Laufzeiten immer um Systemlaufzeiten handelt, d.h. einschließlich zusätzlicher, herstellerabhängiger Logik wie Modulator, Demodulator und Filter. Ein wichtiger Aspekt bei den dynamischen Eigenschaften ist, dass diese über die gesamte Produktlebensdauer eine gleich bleibende Qualität aufweisen müssen. Andernfalls sind aufwendige schaltungstechni-sche Kompensationsmaßnahmen erforderlich. Dieses für optoelektronische Bauelemente typische Verhalten spielt bei der „Core-less Transformer“-Technologie konzeptionell keine Rolle, d.h., es tritt über die Zeit keine messbare Veränderung der technischen Parameter auf. Wichtig ist dieser Aspekt z.B. bei Brückenschaltungen mit hoher Schaltfrequenz. Um einen ungewollten Brückenquerstrom zu vermeiden, ist es erforderlich, eine Totzeit zwischen dem Schalten des oberen und des unteren IGBT bzw. MOSFET einzufügen. Variiert nun wegen Alterung der Übertragungsstrecke die Laufzeit, lässt sich unter Umständen keine ausreichende Totzeit mehr gewährleisten. Im schlimmsten Fall tritt nun ein Brückenquerstrom auf, der trotz rechtzeitiger Erkennung zu einem frühen Gesamtausfall des Systems führen kann.

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Bild 4. Zur Verbesserung des Übertragungsverhaltens lassen sich statt einem auch zwei Spulenpaare einsetzen.

Besonders beim Einsatz im industriellen Bereich, wie in Frequenzumrichtern, ist es bei der Signalübertragung von größter Bedeutung, eine hohe Störfestigkeit zu erzielen. Typische Störgrößen sind Spannungstransienten (du/dt) und sich ändernde umgebende magnetische Felder (dΦ/dt). In verschiedenen Tests wurden erfolgreich Übertragungen mit der „Coreless Transformer“-Technologie bei Spannungstransienten bis 100 V/ns und Änderungen der magnetischen Feldstärke bis 100 A/m ns untersucht. Die Störfestigkeit durch ein du/dt wurde unter anderem durch die bereits angesprochene geringe parasitäre Koppelkapazität des integrierten Übertragers und durch den Einsatz von Logikbausteinen im Sender- und Empfängerkreis erzielt, die eine Filter und Korrekturfunktion erfüllen. Störimpulse werden auf diese Weise erkannt und entsprechend unterdrückt. Die Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Umwelteinflüssen resultiert aus dem kompakten Aufbau des Spulenpaares sowie der Montage auf den Lead-Frame des Gehäuses. Durch geschickte Platzierung des Übertragers wird eine Abschirmwirkung erzielt, die die magnetische Störgröße effektiv reduziert (Bild 5). Dies geschieht dadurch, dass die senkrecht zum Übertrager eintretenden Feldlinien   durch den Lead-Frame abgelenkt werden. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der relativ zum Übertrager stehenden senkrechten Feldlinienkomponente y und dadurch entsprechend eine deutliche Abschwächung des magnetischen Störfeldes im Inneren des Übertragers.

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Bild 5. Der metallische Lead-Frame schirmt den Halbleiter-Chip mit dem integrierten Spulenpaar magnetisch ab.

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