L'isolamento per alta tensione, che non è esattamente una nuova tecnologia, ora viene rivitalizzato nel dominio di componenti nuovissimi nell'epoca della corsa all'elettrificazione che include sistemi ad alta tensione. Considera il passaggio del settore dell'automotive verso l'elettrificazione dei veicoli, dove la necessità dell'isolamento per alta tensione conduce a cambiamenti fondamentali nell'architettura del veicolo e in alcuni dei componenti fondamentali.
CANbus e sensori di corrente sono tra le aree più importanti tra quelle interessate dal passaggio ai sistemi ad alta tensione. Tali sistemi impongono l'isolamento per evitare il passaggio delle tensioni del bus CC e dei transienti incontrollati tra due picchi. Ad esempio, nei veicoli elettrici ibridi (HEV, hybrid electric vehicles), è fondamentale che i componenti che operano a 12-V siano protetti dai componenti a tensione superiore che funzionano a 48 V o a tensioni persino superiori.
I sistemi ad alta tensione stanno diventando prevalenti con l'aumento dell'adozione dei veicoli elettrici (EV), e con le tensioni da 400 V, 800 V e persino superiori, l'isolamento diventa una considerazione di importanza sempre maggiore nella progettazione. Non sorprende, pertanto, la comparsa nei moderni progetti di elettrificazione, della richiesta di circuiti integrati per l'isolamento avanzati in più domini.
Le soluzioni di isolamento basate sui semiconduttori offrono notevoli vantaggi rispetto agli optoaccoppiatori tradizionali (fonte: onsemi)
Pertanto, gli OEM dei veicoli e gli ingegneri di primo livello stanno sviluppando la tecnologia dell'isolamento e comprendendo cosa significa tutto questo per il sistema. Ad esempio, il modo in cui l'isolamento influisce sulla gestione dei MOSFET ad alta tensione, degli IGBT, dei driver gate e dei dispositivi in carburo di silicio negli ambienti automotive e industriali.
Questo articolo mostrerà l'impatto della tecnologia dell'isolamento su questi componenti ad alta tensione e su come questo mantenga questi dispositivi sicuri in caso di enormi variazioni di temperatura con picchi di tensione. Specialmente quando densità di corrente sempre in aumento causate da potenza crescente creano condizioni di disturbo termico ed elettrico complesse.
Relè stato solido
In questo nuovo paradigma di progettazione per l'alta tensione, i dispositivi di isolamento basati sui semiconduttori offrono notevoli vantaggi rispetto alle soluzioni con optoaccoppiatori precedenti. Di conseguenza, i prodotti per l'isolamento basati sui semiconduttori continuano a sostituire gli optoaccoppiatori tradizionali per le prestazioni elevate in termini di resistenza ai picchi, affidabilità e semplicità di integrazione.
Ad esempio, i relè allo stato solido (SSR) possono disconnettere e connettere carichi tramite una singola barriera di isolamento in microsecondi, per garantire un funzionamento più sicuro dei sistemi ad alta tensione del settore dell'automotive. D'altra parte, i relè elettromeccanici eseguono la stessa attività in millisecondi.
I relè a stato solido, che non richiedono parti meccaniche, in genere sono progettati come semplici interruttori on-off che si azionano quando al relè viene passato un segnale di controllo esterno (fonte: Sensata Technologies).
Un relè a stato solido, o SSR, a differenza delle soluzioni di relè elettromeccanici, integra le funzioni di un alimentatore isolato, di un isolante digitale e di un driver gate in un unico dispositivo. Pertanto, un SSR, che integra in un unico chip il trasferimento di corrente e segnale, è in grado di eliminare almeno tre componenti e di ridurre così le dimensioni di progettazione e i costi della BOM.
Prendiamo come esempio i dispositivi SSR-240A50 e SSR-240D125, relè a stato solido di TE Connectivity caratterizzati da disturbo di commutazione bassa. Sensata Technologies offre anche una gamma di dispositivi SSR per superare le sfide dell'isolamento nei progetti automotive e industriali.
Anche altre manifestazioni SSR, come driver e interruttori isolati, consentono l'isolamento di corrente e segnale attraverso un'unica barriera. In tal modo, i driver interruttore isolati possono utilizzare un monitor a batteria per rilevare problemi di isolamento nei sistemi di gestione batteria da 400-V e 800-V (BMS) più rapidamente e con una maggiore accuratezza rispetto ai relè a stato solido.
Rispetto alle soluzioni di fotorelè a stato solido, i driver interruttore isolati possono ridurre notevolmente le dimensioni di progettazione integrando un transistor a effetto di campo del segnale e dei resistori. Inoltre, questi dispositivi di isolamento ad alta tensione sono in grado di eliminare la necessità di un relè reed.
Sebbene gli SSR e i driver e gli interruttori isolati siano importanti nel rafforzare l'isolamento per alta tensione, altri componenti svolgono ruoli ugualmente importanti. La sezione seguente illustra alcuni di questi componenti e della tecnologia che sta alla loro base per mostrarne il funzionamento nei diversi sistemi che necessitano di essere isolati.
Altri componenti dell'isolamento dell'alta tensione
Oltre agli SST, ai driver isolati e agli interruttori associati a questa linea, altri componenti aiutano a risolvere sfide di isolamento complesse man mano che i progetti del settore automotive e industriale passano a tensioni e correnti più elevate.
Iniziamo dagli isolanti digitali, che consentono agli ingegneri di proteggere meglio i circuiti a bassa tensione da eventi di alta tensione nei sistemi HEV ed EV e che quindi eliminano la necessità di integrare sistemi di raffreddamento per ridurre le temperature al di sotto di 125°C. Ad esempio, nei sistemi HEV a 48 V, dove la coesistenza di motori a combustione interna (ICE) e sistemi a batteria può riscaldare l'aria intorno agli IC oltre i 125°C, è possibile collocare degli isolanti digitali nelle aree ad alta temperatura senza aumentare la BOM o la complessità della progettazione.
Un isolante digitale, che combina trasformatori principali di aria CMOS e monolitici in un dispositivo singolo, supporta più canali di percorso del segnale (fonte: Analog Devices Inc.).
Quando si gestiscono le comunicazioni CAN nei progetti del settore automotive, gli ingegneri possono aumentare la protezione del segnale all'interno del veicolo e utilizzare gli isolanti digitali. Tali dispositivi isolanti, inoltre, consentono agli ingegneri di garantire l'affidabilità del gruppo motopropulsore e dei sistemi HVAC, che richiedono la trasmissione del segnale attraverso una barriera di isolamento nei sottosistemi HEV ed EV come generatori di avviamento, ventole di raffreddamento e invertitori di trazione.
SI8660BD-AS, l'isolante digitale di grado automotive di Skyworks Solutions, presenta valori di isolamento di 2,5 kV, 3,75 kV e 5 kV, e una modalità di funzionamento a prova di errore per controllare lo stato di uscita predefinito durante la perdita di potenza.
Abbiamo poi l'isolante digitale ADUM1310ARW di Analog Devices Inc. (ADI), che gestisce i problemi di progettazione come le funzioni di trasferimento non lineari comunemente associate agli optoaccoppiatori. Inoltre elimina la necessità di driver esterni e altri componenti discreti riducendo notevolmente, al contempo, il consumo di corrente.
Abbiamo poi il dispositivo NCID9411R2, un isolante digitale a quattro canali di onsemi, che utilizza una tecnologia di isolamento dei condensatori galvanici off−chip per ottenere un isolamento elevato e l'immunità ai disturbi. Ciò consente di offrire l'affidabilità, in termini di sicurezza, di una barriera di isolamento di >0,5-mm, simile a quella offerta storicamente dagli optoaccoppiatori.
Per l'isolamento dalle tensioni elevate, vale anche la pena citare i comparatori isolati, che combinano le funzioni dei comparatori standard con barriera di isolamento galvanico per favorire il rilevamento di sovracorrente e sovratensione bidirezionali isolate ultra-rapide in meno di 400 ns. Anche sensori di corrente e dispositivi di monitoraggio dell'isolamento sono componenti di importanza fondamentale nei progetti per stazioni di ricarica, unità di distribuzione ad alta tensione e soluzioni di accumulo di energia.
La rinascita della tecnologia dell'isolamento
Oltre ai sistemi EV ed HEV, l'isolamento per alta tensione è una parte importante dell'elettrificazione in molti altri settori, tra cui i veicoli per impieghi gravosi, trasporti speciali e applicazioni industriali. Poiché l'elettrificazione in questi progetti va verso l'elettronica ad alta potenza, l'isolamento elettrico del lato a bassa tensione del sistema ad alta potenza diventa fondamentale.
In queste situazioni, i dispositivi di isolamento basati sui semiconduttori, sono vitali per interfacciare i controller di potenza con progetti ad alta tensione, quali la gestione della batteria EV, gli invertitori di turbina a vento e solari e i motori industriali. In breve, l'isolamento per alta tensione va di pari passo con l'elettronica di potenza ad alta densità.
