Power-Management

Halbleiterrelais für die Isolation

18. Juli 2022, 9:03 Uhr | Iris Stroh
Isolationsprodukte müssen höchste Arbeitsspannung, Zuverlässigkeit in Hochspannungs- und sicherheitskritischen Anwendungen ermöglichen. Gleichzeitig Kosten sowie Größe reduzieren. Diese Ziele soll das neue Halbleiterrelais erfüllen
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Isolationsprodukte müssen höchste Arbeitsspannung und Zuverlässigkeit in Hochspannungs- und sicherheitskritischen Anwendungen ermöglichen und gleichzeitig Kosten sowie Größe reduzieren. Diese Ziele soll das neue Portfolio an Halbleiterrelais von Texas Instruments erfüllen.

»Egal ob es um Fabrikautomatisierung, Building Automation, Personal Electronics, Automotive oder medizinisches Gerät geht, eine Isolation ist überall erforderlich, denn sie garantiert einen robusten und zuverlässigen Systembetrieb«, erklärt Dr. Jeffrey Morroni, Director Power Management R&D in den Kilby Labs von Texas Instruments (TI).

Dabei werden die Anforderungen an die Isolation immer höher. Als Beispiel führt Morroni den Automotive-Markt an, denn der Wechsel von 400- auf 800-V-Batterien in E-Fahrzeugen »erfordert eine Isolation, die es den empfindlichen Elektronikkomponenten erlaubt, mit den Hochspannungskomponenten mit schnellen Transienten, wie zum Beispiel Motoren, kommunizieren zu können«, erklärt Morroni weiter.

Aber auch im industriellen Umfeld sind die Anforderungen hoch. In diesem Zusammenhang verweist Morroni beispielsweise darauf, dass Menschen und Geräte vor Hochspannungsspitzen geschützt werden müssen, aber auch, dass beispielsweise eine sichere Kommunikation mit High-Side-Komponenten in Motorantriebssystemen gewährleistet werden muss.

Laut Morroni ist TI seit zig Jahren im Isolationsbereich aktiv und hat hier auch viele Innovationen vorangetrieben, angefangen beim ersten kapazitiven Isolator über die ersten USB-2.0-Isolatoren bis hin zum AMC1411, dem industrieweit ersten Isolationsverstärker, der eine 7500-V-RMS-Isolation bietet. »Wir investieren in Isolationstechnologien und entwickeln Produkte, die Entwicklern dabei helfen, Isolationsanforderungen besser und kostengünstiger zu meistern«, so Morroni. Genau in diese Richtung zielen die neuen Halbleiterrelais »TPSI3050-Q1« und »TPSI2140-Q1«, aber auch der isolierte Komparator »AMC23C12« sowie die »UCC12050« und »UCC14240-Q1«, beides isolierte DC/DC-Wandler.

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Halbleiterrelais

»Diese Halbleiterrelais erhöhen die Zuverlässigkeit und halbieren gleichzeitig die Größe und die Kosten um die Hälfte, in Kombination mit besten Isolationseigenschaften«, erklärt Morroni weiter. Die neue Halbleiterrelais nutzen einen einzigartigen Ansatz und übertragen Strom und Signale über eine einzige Isolationsbarriere – alles in einem Chip. Dank der hohen Integration werden mindestens drei Komponenten überflüssig, »sodass die Größe der Lösung um maximal 90 Prozent und die Kosten um bis zu 50 Prozent im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen reduziert werden«, so Morroni weiter. Außerdem zeichne sich der TPSI3050-Q1 durch eine zehnmal höhere Lebensdauer als elektromechanische Relais aus, und er biete eine verstärkte Isolierung bis zu 5 kV RMS. »Der TPSI2140-Q1 trägt dazu bei, Fehler schneller zu erkennen und die Sicherheit in Hochspannungs-Batteriemanagementsystemen zu verbessern«, so Morroni weiter.

Isolation mithilfe von Halbleiterrelais
Isolation mithilfe von Halbleiterrelais.
© Texas Instruments

Die neuen Halbleiterrelais nutzen die mehr als zwanzigjährige Erfahrung in der Entwicklung neuer Isolationsfertigungstechnologien und -ICs für Hochspannungssysteme. Das neue Portfolio an Halbleiterrelais umfasst auch Automotive-qualifizierte, isolierte Treiber und Schalter, die sich laut Unternehmensangabe durch branchenführende Zuverlässigkeit auszeichnen und damit dazu beitragen, Elektrofahrzeuge (EVs) sicherer zu machen.

Der isolierte Schaltertreiber TPSI3050-Q1 mit integrierter 10-V-Gate-Strom-Versorgung und der für 1400 V und 50 mA ausgelegte isolierte Schalter TPSI2140-Q1 dienen zur Stromversorgungs- und Signalisolation über eine einzige Isolationsbarriere. Sie stützen sich hierfür auf ein spezielles Konzept, das die Zuverlässigkeit verbessert und gleichzeitig für eine deutliche Verringerung der Abmessungen und der Kosten gegenüber bestehenden elektromechanischen Relais und Halbleiter-Fotorelais sorgt. Die beiden Bausteine sind die ersten Produkte eines neuen Halbleiterrelais-Portfolios, zu dem auch ICs für industrielle Hochspannungsanwendungen gehören werden.

»Insbesondere wegen der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen gewinnen Hochspannungssysteme immer mehr an Verbreitung. Wir konzentrieren uns bei TI besonders darauf, Systemdesignern neue Wege zur Bewältigung komplexer Isolationsherausforderungen zu ebnen. Unter anderem geht es darum, im Zuge des Umstiegs der Industrie auf 800-V-Batterien einerseits die Voraussetzungen für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Fahrzeuge zu schaffen, andererseits aber auch den Platzbedarf und die Kosten der Lösungen zu senken«, erläutert Troy Coleman, Vice President und General Manager of Power Switches, Interface and Lighting bei Texas Instruments. »Durch die Integration von mehr Funktionalität in unserer Isolationstechnologie bieten unsere neuen Halbleiterrelais den Entwicklern die Gelegenheit, die Abmessungen, die Kosten und die Flexibilität von Hochspannungs-Stromversorgungen zu reduzieren, dabei aber die Sicherheit der Automotive- und Industriesysteme der nächsten Generation zu wahren.«

Höhere Systemzuverlässigkeit dank integrierter Isolationstechnologie

Über eine einzige Isolationsbarriere hinweg können die neuen Halbleiterrelais die Verbindung zu einem Verbraucher herstellen und wieder trennen – und zwar binnen Mikrosekunden und nicht innerhalb von Millisekunden wie bei elektromechanischen Relais. Auf diese Weise ist ein sichererer Betrieb von Hochspannungssystemen im Automotive-Bereich möglich. Der TPSI3050-Q1, der eine verstärkte Isolierung bis 5 kV RMS bietet, bringt es überdies auf eine zehnmal längere Lebensdauer als elektromechanische Relais, deren Eigenschaften sich mit der Zeit verschlechtern. Der TPSI2140-Q1 wiederum wartet mit Basisisolierung bis 3,75 kV RMS auf und kann damit eine mehr als viermal so hohe zeitabhängige elektrische Durchschlagsfestigkeit erreichen wie Halbleiterrelais-Fotorelais.

Die Halbleiterrelais fassen die Stromversorgungs- und die Signalübertragung in einem Chip zusammen und ermöglichen zusätzlich den Verzicht auf mindestens drei Bauelemente, was die Abmessungen deutlich verringert und eine Reduzierung der Materialkosten bis auf die Hälfte ermöglicht. Der TPSI3050-Q1 etwa senkt den Platzbedarf gegenüber Schaltungen mit elektromechanischen Relais um bis zu 90 Prozent, indem er eine isolierte Stromversorgung, einen Digitalisolator und einen Gate-Treiber in einem Baustein vereint. Im Fall des TPSI2140-Q1 verringern sich die Abmessungen um bis zu 50 Prozent im Vergleich zu traditionellen Anwendungen mit Fotorelais, da neben einem Signal-Feldeffekttransistor auch Widerstände integriert sind und zudem auf ein Reed-Relais verzichtet werden kann.

Mehr Sicherheit für BMS in 800-V-Elektrofahrzeugen

Der für Hochspannungsmessungen und die Isolierungsüberwachung konzipierte TPSI2140-Q1 dient zusammen mit einem Battery Pack Monitor wie dem BQ79631-Q1 dazu, Isolierungsfehler in 800-V-Batteriemanagement- systemen schneller und mit höherer Genauigkeit zu detektieren, als es mit Halbleiterrelais-Fotorelais möglich ist. Der TPSI2140-Q1 gestattet die Verwendung von Widerständen mit weniger als 1 MΩ und verkraftet um über 300 % höhere Avalanche-Ströme als traditionelle Fotorelais, was zu einer sichereren Interaktion zwischen Mensch und System beiträgt.

Entwickler können die Leistungsfähigkeit der Halbleiterrelais von TI mithilfe eines Evaluation Module testen
Entwickler können die Leistungsfähigkeit der Halbleiterrelais von TI mithilfe eines Evaluation Module testen.
© Texas Instruments

Die Bausteine TPSI3050-Q1 und TPSI2140-Q1 sind ausschließlich auf TI.com in Vorserien-Stückzahlen lieferbar. Für die Evaluierung dieser Produkte werden die Evaluierungsmodule TPSI3050Q1EVM und TPSI2140Q1EVM angeboten.

Weitere Isolationsprodukte

Die Halbleiterrelais bilden die neueste Ergänzung zum wachsenden Portfolio an Produkten von TI zum Isolieren von Signalen, Versorgungsspannungen oder beidem. Ebenfalls neu ist der AMC23C12, der laut Unternehmensangabe branchenweit erste Komparator mit verstärkter Isolation. Er kombiniert die Funktionen eines herkömmlichen Komparators mit einer galvanischen Isolationsbarriere, reduziert die Abmessungen um 50 Prozent und erlaubt eine ultraschnelle, isolierte und bidirektionale Überstrom- und Überspannungserfassung binnen weniger als 400 ns. Morroni: »Da die Anforderungen an die Ausfallsicherheit von Systemen in industriellen und automobilen Hochleistungsanwendungen zunehmen, müssen Entwickler Hochspannungssysteme entwickeln, die Fehler besser tolerieren. Der neue, verstärkte isolierte Komparator von TI ist die branchenweit kleinste Lösung für die isolierte bidirektionale Erkennung von Überstrom, Überspannung und Übertemperatur. Der Baustein kombiniert die Funktionen von Standardkomparatoren mit einer robusten galvanischen Isolationsbarriere, um Größe und Kosten der Lösung zu reduzieren.«

TI gibt folgende Vorteile für den AMC23C12 an:
➔ Der benötigte Platz wird dank hoher Integrationsdichte deutlich reduziert (bis zu 50 Prozent), denn in dem Baustein sind ein LDO mit großem Eingangsbereich, ein Fenster-Komparator und eine genaue Spannungsreferenz integriert.
➔ Eine Genauigkeit von weniger als drei Prozent im ungünstigsten Fall hilft Entwicklern, die Designmargen zu reduzieren und kleinere passive Komponenten zu nutzen.
➔ Mit einer Reaktionszeit von weniger als 400 ns ist eine extrem schnelle Überstrom- und Überspannungserkennung für einen besseren Systemschutz gewährleistet.
➔ Eine einstellbare Auslöseschwelle über einen einzigen externen Widerstand erleichtert die Wiederverwendung in verschiedenen Designs.
Der AMC23C12 steht in Vorproduktionsvolumina zur Verfügung. Entwickler können die Leistungsfähigkeit des Bausteins mithilfe des Evaluation Module »AMC23C12EVM« testen.

Zu den weiteren neuen Produkten gehört das isolierte DC/DC-Bias-Stromversorgungsmodul UCC14240-Q1. Basierend auf der proprietären integrierten Übertragertechnologie von TI (erstmals 2020 vorgestellt) sorgt es für eine hohe Leistungsdichte, geringe elektromagne- tische Störaussendungen und ein hohes Zuverlässigkeitsniveau, um die Reichweite von EVs zu verbessern


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