El aislamiento de alta tensión, que no es exactamente una tecnología nueva, se ha revitalizado y convertido en un campo de componentes totalmente nuevo en la era de la electrificación que abarca sistemas de alta tensión. Consideremos el cambio de la industria automotriz hacia la electrificación de vehículos, donde la necesidad de aislamiento de alta tensión genera cambios fundamentales en la arquitectura de los vehículos y en algunos de los componentes críticos.
CANbus y la detección de corriente se encuentran entre las áreas más prominentes y afectadas por el cambio a los sistemas de alta tensión. Dichos sistemas requieren aislamiento para evitar que las tensiones del bus de CC y las corrientes transitorias no controladas fluyan entre dos puntos. Por ejemplo, en los vehículos eléctricos híbridos (HEV), es crucial que los componentes que funcionan en el lado de 12 V estén protegidos de los componentes de más alta tensión que funcionan con 48 V o incluso, con valores más altos.
Los sistemas de alta tensión son cada vez más frecuentes dada una mayor adopción de los vehículos eléctricos (EV), y con tensiones de 400 V, 800 V e incluso más altas, el aislamiento se convierte en una consideración de diseño aún más crítica. Por lo tanto, no sorprende que la demanda de circuitos integrados de aislamiento avanzados que operen en múltiples dominios ahora sea evidente en los diseños de electrificación modernos.
Las soluciones de aislamiento basadas en semiconductores ofrecen ventajas significativas sobre los optoacopladores tradicionales. (Fuente: ONSemi)
Por lo tanto, los ingenieros de Nivel 1 y OEM de vehículos están desarrollando tecnología de aislamiento y empiezan a comprender lo que significa para el sistema. Por ejemplo, cómo el aislamiento afecta la manipulación de MOSFET de alta tensión, IGBT, controladores de compuerta y dispositivos de carburo de silicio (SiC) en entornos automotrices e industriales.
En este artículo, mostraremos el impacto de la tecnología de aislamiento en estos componentes de alta tensión y cómo mantener los dispositivos seguros en amplias variaciones de temperatura con picos de tensión. En especial, cuando las densidades de potencia cada vez mayores, debido al aumento de la potencia eléctrica, crean exigentes condiciones de ruido eléctrico y térmico.
Relés de estado sólido
En este nuevo paradigma para diseños de alta tensión, los dispositivos de aislamiento basados en semiconductores ofrecen ventajas significativas sobre las soluciones de optoacopladores heredadas. Como resultado, estos productos continúan reemplazando a los optoacopladores tradicionales debido a su mayor rendimiento contra sobretensiones, confiabilidad y fácil integración.
Por ejemplo, los relés de estado sólido (SSR) pueden desconectar y conectar cargas a través de una única barrera de aislamiento en microsegundos para garantizar un funcionamiento más seguro de los sistemas automotrices de alta tensión. Por otro lado, los relés electromecánicos realizan la misma tarea en milisegundos.
Por lo general, los relés de estado sólido, que no requieren piezas mecánicas, se diseñan como un sencillo interruptor de encendido y apagado que funciona cuando se transmite una señal de control externa al relé. (Fuente: Sensata Technologies)
Un relé de estado sólido o SSR, a diferencia de las soluciones de relés electromecánicos, integra las funciones de un suministro de alimentación aislado, un aislador digital y un controlador de compuerta en un solo dispositivo. Por lo tanto, un SSR, que integra la transferencia de energía y señal en un solo chip, puede eliminar al menos tres componentes y, por lo tanto, reducir significativamente el tamaño del diseño así como el costo de la lista de materiales.
Tomemos el ejemplo de SSR-240A50 y SSR-240D125, los relés de estado sólido de TE Connectivity que cuentan con bajo ruido acústico de conmutación y ofrecen una larga vida útil. Luego, Sensata Technologies ofrece una gama de dispositivos de SSR para superar los desafíos de aislamiento en diseños industriales y automotrices.
Otras manifestaciones de los SSR, como los conmutadores y controladores aislados, también facilitan el aislamiento de la señal y la alimentación a través de una única barrera. Eso permite que un controlador de conmutador aislado funcione con un monitor de paquete de baterías para detectar fallas de aislamiento en sistemas de administración de baterías (BMS) de 400 V y 800 V más rápido y con mayor precisión que los fotorrelés de estado sólido.
En comparación con las soluciones tradicionales de fotorrelés de estado sólido, los controladores de conmutadores aislados pueden reducir significativamente el tamaño del diseño al integrar resistores y un transistor de señal de efecto de campo. Además, estos dispositivos de aislamiento de alta tensión pueden eliminar la necesidad de un relé de tamaño pequeño.
Si bien los SSR, así como los conmutadores y controladores aislados, son esenciales para reforzar el aislamiento de alta tensión, otros componentes desempeñan funciones igualmente importantes. La siguiente sección describe algunos de estos componentes y su tecnología subyacente para mostrar su funcionamiento en diferentes sistemas que necesitan ser aislados.
Otros componentes de aislamiento de alta tensión
Además de SST y los conmutadores y controladores aislados asociados con esta línea de productos, existen otros componentes que ayudan a resolver los complejos desafíos de aislamiento a medida que los diseños automotrices e industriales avanzan hacia tensiones y corrientes más altos.
Comencemos con los aisladores digitales, que les permiten a los ingenieros proteger mejor los circuitos de baja tensión de los eventos de alto voltaje en sistemas de HEV/EV y, por lo tanto, eliminan la necesidad de incorporar sistemas de enfriamiento para reducir las temperaturas por debajo de los 125 °C. Por ejemplo, en los sistemas de HEV de 48 V, donde la coexistencia de motores de combustión interna (ICE) y sistemas de batería puede calentar el aire alrededor de los circuitos integrados a más de 125 °C, se pueden colocar aisladores digitales en áreas de alta temperatura sin aumentar la lista de materiales ni la complejidad del diseño.
Un aislador digital, que combina CMOS y transformadores de núcleo de aire monolíticos en un único dispositivo, admite múltiples canales de ruta de señal. (Fuente: Analog Devices Inc.)
Al manipular comunicaciones CAN en diseños automotrices, los ingenieros pueden aumentar el alcance y la protección de la señal en el vehículo mediante aisladores digitales. Estos dispositivos de aislamiento también les permiten a los ingenieros garantizar la confiabilidad en los sistemas de HVAC y tren motriz, los cuales requieren la transmisión de señales a través de una barrera de aislamiento en los subsistemas de HEV/EV, como generadores de arranque, ventiladores de enfriamiento e inversores de tracción.
SI8660BD-AS, el aislador digital de grado automotriz de Skyworks Solutions, ofrece clasificaciones de aislamiento de 2,5 kV, 3,75 kV y 5 kV, y un modo de operación a prueba de fallas seleccionable para controlar el estado de salida predeterminado durante una pérdida de energía.
Luego, nos encontramos con el aislador digital ADUM1310ARW de Analog Devices Inc. (ADI), que se encarga de los problemas de diseño como las funciones de transferencia no lineales comúnmente asociadas con los optoacopladores. También elimina la necesidad de controladores externos y otros componentes discretos, al mismo tiempo que reduce significativamente el consumo de energía.
También está el NCID9411R2, un aislador digital de cuatro canales de ONSemi, que emplea tecnología de aislamiento de capacitadores galvánicos off−chip para lograr un alto grado de aislamiento e inmunidad al ruido. Eso le permite ofrecer la confiabilidad de seguridad de una barrera aislante de >0,5 mm, similar a lo que históricamente han ofrecido los optoacopladores.
Para el aislamiento de alta tensión, también vale la pena mencionar los comparadores aislados, que combinan las funciones de los comparadores estándar con una barrera de aislamiento galvánico para facilitar la detección ultrarrápida bidireccional y aislada de sobrecorrientes y sobretensiones en menos de 400 ns. Los dispositivos de monitoreo de aislamiento y detección de corriente también son componentes críticos en los diseños que prestan servicios a las estaciones de carga, las unidades de distribución de alta tensión y las soluciones de almacenamiento de energía total.
El renacimiento de la tecnología de aislamiento
Además de los sistemas de EV y HEV, el aislamiento de alta tensión es un componente importante de la receta de electrificación en muchas otras industrias, incluidos los vehículos de servicio pesado, el transporte especializado y las aplicaciones industriales. A medida que la electrificación en estos diseños avanza hacia la electrónica de alta potencia, el aislamiento eléctrico del lado de baja tensión del sistema de alta potencia se vuelve fundamental.
Aquí, los dispositivos de aislamiento basados en semiconductores son vitales para conectar los controladores de potencia con diseños de alta tensión, como sistemas de carga y administración de baterías en EV, inversores de turbinas solares y eólicas, y motores industriales. En resumen, el aislamiento de alta tensión va de la mano con la electrónica de potencia de alta densidad.
