Erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit von industriellen Hochspannungsanwendungen mit galvanischen Isolatoren

Viele Automatisierungssysteme in der Industrie, vor allem solche in der industriellen Fertigung, müssen mit Ausrüstungsteilen verbunden werden, die mit Hochspannung im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Volt arbeiten. Zur Trennung dieser Hochspannungen von den viel geringeren 5-Volt-Spannungen der digitalen Logikschaltungen, die in den meisten Steuerungssystemen vorkommen, werden häufig halbleiterbasierte Isolatoren eingesetzt. Zu diesem Zweck werden aufgrund ihres hohen Widerstand gegenüber transienten Hochspannungen und ihrer Immunität gegen umgebende Magnetfelder beispielsweise Optokoppler mit zwei Chips in einem einzelnen Gehäuse genutzt. Entwickler benötigen jedoch eine Technologie, die über die Zeit und Temperaturextreme hinweg stabiler ist und die aus Sicht der Fertigung weniger komplex ist.

Dieser Artikel erklärt, warum und wie galvanische Einzelgehäuse-Isolatoren genutzt werden können, um die in modernen Industrie-, Medizin- und Elektrofahrzeugsystemen vorkommenden Hochspannungen sicher zu isolieren. Dann werden zwei siliziumbasierte galvanische Isolatoren von Texas Instruments vorgestellt, die für Hochspannungssysteme vorgesehen sind, bei denen es auf hohe Zuverlässigkeit ankommt. Und schließlich zeigen wir, welches Platinenlayout für diese Isolatoren geeignet ist, um Hochspannungen sicher von der digitalen Logik zu trennen, die in programmierbaren Logik-Controllern (PLCs) und Benutzerschnittstellen verwendet wird.

Warum müssen hohe von niedrigen Spannungen isoliert werden?

Viele Industrieanlagen werden mithilfe von PLCs, Computern oder Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) gesteuert. Diese Steuerungssysteme arbeiten mit standardmäßigen digitalen Steuerspannungen von 5 Volt oder weniger. Beim Anschluss dieser Systeme zur Steuerung von Hochspannungen ab 120 Volt müssen unbedingt die niedrigen digitalen Spannungen von der Hochspannungsausrüstung isoliert werden. Auch bei Leistungswandlern, DC/DC-Wandlern und Elektrofahrzeugen (EVs) müssen die digitalen Steuerspannungen sorgfältig von den Systemspannungen getrennt werden, die durchaus mehrere Tausend Volt erreichen können.

Zwar kommen Leistungstransistoren problemlos mit solchen Anwendungen klar, doch dabei ist die Sicherheit nicht gewährleistet. Bei den Transistoren in diesen Anwendungen sind die digitale und die Hochspannungssteuerung auf demselben Halbleitersubstrat angesiedelt. Eine Fehlfunktion oder physische Beschädigung des Leistungstransistors kann dann schnell dazu führen, dass Tausende Volt in die digitale Logik gelangen. Dadurch wird nicht nur die Steuerschaltung zerstört, sondern auch der Benutzer wird hohen Risiken ausgesetzt.

Die optische Isolation war historisch das bevorzugte Verfahren zur physischen Trennung und elektrischen Isolierung von Nieder- und Hochspannungssystemen. Ein typischer Optokoppler mit zwei Chips in einem einzelnen Gehäuse enthält auf einem Chip eine LED, die ihr emittiertes Licht – üblicherweise im Infrarotbereich – über eine transparente Trennungsbarriere hinweg zu einem Fotodioden-Empfänger auf einem zweiten Chip strahlt. Die Fotodiode wandelt dieses Licht in ein Niederspannungssignal um, das zur Steuerung der Hochspannungsschaltung verwendet wird.

Damit ein Optokoppler Tausende von Volt sicher steuern kann, sind sowohl der LED-Chip als auch der Fotodioden-Chip in einer transparenten Trennungsbarriere aus einem Material eingeschlossen, das der Nennspannung des Optokopplers standhalten kann.

Optokoppler sind resistent gegen transientes elektronisches Rauschen und völlig immun gegen umgebende Magnetfelder, wodurch sie sich hervorragend für Anwendungen zur Hochspannungs-Motorsteuerung eignen. Optokoppler für Hochlastanwendungen können sehr hohen Stoßspannungen von 10.000 Volt oder mehr standhalten.

Allerdings funktionieren Optokoppler nicht sehr gut unter sehr hohen Temperaturbedingungen. Außerdem werden die LEDs in den Optokopplern mit zunehmendem Alter auch schwächer. Zudem sind Optokoppler Zwei-Chip-Bausteine, was einen komplexeren Herstellungsprozess bedeutet als bei Ein-Chip-Halbleitern.

Galvanische Isolation

In Anwendungen, bei denen Temperaturextreme wahrscheinlich sind und Langlebigkeit oberste Priorität hat, können galvanische Isolatoren in Einzelgehäusen eingesetzt werden. Während die optische Isolation zwei Schaltungen mit LEDs und Fotodioden trennt, bewirkt die galvanische Isolation die elektrische Trennung von zwei Schaltungen durch ladungsgekoppelte Komponenten, die Kondensatoren oder Induktivitäten auf der Basis von Siliziumdioxid (SiO₂) nutzen. Die Wirksamkeit der Isolation ist eine Funktion des SiO₂-Dielektrikums.

Galvanische Isolatoren sind langlebige Hochgeschwindigkeitskomponenten, die sich problemlos mit den meisten Mikrocontrollern verbinden lassen. Kürzlich in den Markt eingeführte Beispiele hierfür wurden getestet und halten bis zu 6000 Volt stand. Sie arbeiten bei Temperaturen bis 150 °C und sind für 35 Jahre Betrieb ausgelegt. Damit erhöhen sich Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, bei gleichzeitig geringeren Wartungskosten.

So kann zum Beispiel der von Texas Instruments angebotene Sechskanal-Allzweck-Digitalisolator ISO7762FDWR effektiv bis zu 5000 Volt (V_eff) standhalten und weist eine Isolationsstoßspannung von 12.800 Volt auf (Abbildung 1). Der ISO7762 ist in zwei Ausführungen erhältlich: Der ISO7762F hat Ausgangspins OUT[A:F] mit einem Standardausgang von logischem Low, während bei der Ausführung ohne das F am Ende der Standardausgang den Status logisches High hat.

Abbildung 1: Der ISO7762F von Texas Instruments ist ein galvanischer Sechskanal-Isolator mit vier vorwärts- und zwei rückwärtsgerichteten Kanälen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der ISO7762F besitzt zwei Leistungsdomänen, eine auf der linken und eine auf der rechten Seite, die elektrisch und physisch durch eine SiO₂-Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Jede Leistungsdomäne besitzt ihre eigenen unabhängigen Strom- und Masse-Pins.

Die Komponente verfügt über vier vorwärtsgerichtete Kanäle und zwei rückwärtsgerichtete Kanäle. Die beiden rückwärtsgerichteten Kanäle (Eingänge E und F) ermöglichen das Senden von Informationen vom Hochspannungssystem zum digitalen Steuerungssystem, während eine sichere Trennung der beiden Leistungsdomänen gewährleistet ist. Die in beide Richtungen übertragenen Daten können einfache digitale Ein-/Aus-Daten oder serielle Daten sein, für die eine UART- oder Zweidraht-I²C-Schnittstelle verwendet wird.

Für jeden Kanal nutzt der ISO7762F zwei SiO₂-Kondensatoren in Reihe, um die beiden Spannungsdomänen zu trennen. Die digitalen Daten werden mithilfe einer OOK-Modulation (On-Off Keying, Ein-Aus-Taktung), bei der eine logische 1 an jedem Eingang IN[A:F] durch ein AC-Signal repräsentiert wird, über den Kondensator zu der anderen Leistungsdomäne übertragen, und ein logisches 0 wird durch 0 Volt repräsentiert. Die Daten am entsprechenden OUT[A:F] widerspiegeln den logischen Status des Eingangs-Pins. Das SiO₂-Dielektrikum in den Kondensatoren trennt die beiden Leistungsdomänen und sorgt somit für die sichere Isolierung der Hochspannungs-Steuerelektronik vom digitalen Steuerungssystem.

Die Entwickler des ISO7762F betonen den hohen Isolationswiderstand für maximale Sicherheit. Der Nenn-Isolationswiderstand bei 25 °C beträgt mehr als 1 Tera-Ohm (TΩ). Der Isolationswiderstand des ISO7762F bei 150 °C liegt immer noch bei über 1 Giga-Ohm (GΩ). Zur Veranschaulichung der Größenordnungen: Dieser Widerstand ist höher als der Widerstand der Umgebungsluft im Umfeld des ISO7762F.

Von Texas Instruments wird für den ISO7762F eine Haltbarkeit von 37 Jahren angegeben, aber die galvanische Isolationstrennschicht hat eine Nenn-Lebensdauer von mehr als 135 Jahren. Obwohl für Ausrüstung üblicherweise keine solch langen Betriebszeiten garantiert werden müssen, verdeutlichen diese Zahlen die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Komponente.

Für sogar noch höhere Spannungsfestigkeit bietet Texas Instruments den ISO7821LLSDWWR an, einen Zweikanal-Differential-Isolationspuffer mit einem Nennwert von 5700 V_eff und einer Isolationsstoßspannung von 12.800 Volt (Abbildung 2). Die beiden Kanäle verlaufen jeweils in entgegengesetzte Richtungen. Jeder Kanal ist ein Differentialpaar-Transmitter, der zur LVDS-Datenkommunikation (Low-Voltage Differential Signaling, Niederspannungs-Differenzsignalübertragung) mit Geschwindigkeiten bis zu 150 Megabit pro Sekunde (Mbps) verwendet wird.

Abbildung 2: Der Digitalisolator ISO7821LLS von Texas Instruments besitzt zwei in entgegengesetzten Richtungen verlaufende Differentialkanäle. Jeder Ausgangspuffer verfügt über eine Ausgangsaktivierung, mit der sich die Ausgabe zu einem hochohmigen Zustand deaktivieren lässt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das zur galvanischen Isolation im ISO7821LLS verwendete SiO₂ ist dasselbe wie im ISO7762F, außer dass anstelle von zwei Kondensatoren in Reihe beim ISO7821LLS nur ein Kondensator für jeden Kanal verwendet wird. Er verwendet auch dieselbe OOK-Modulation zur Übertragung digitaler Daten über die SiO₂-Kondensatoren.

Mit dem galvanischen Isolationstreiber ISO7821LLS lassen sich LVDS-Daten über industrietaugliche Kabel wie dem von Belden angebotenen Dual-Twisted-Pair-Hochleistungskabel 88723-002500 übertragen. Dabei handelt es sich um ein hochwertiges Industriekabel, das zwei verdrillte Paare von 22-AWG-Draht in einer roten Ummantelung enthält. Es ist für den Innen- und Außeneinsatz vorgesehen und kann sogar im Erdreich verlegt werden. Dieses Kabel kann Betriebstemperaturextreme von -70 °C bis +200 °C tolerieren, womit es sich für raue industrielle Hochspannungsanwendungen eignet, etwa für Solar-Wechselrichter in sehr heißen oder sehr kalten Umgebungen. Über dieses Belden-Kabel kann eine Steuereinheit LVDS-Steuersignale in beide Richtungen zu einem ISO7821LLS im Inneren des Solar-Wechselrichtergehäuses übertragen. Jede Hochspannungsspitze infolge einer Fehlfunktion im Wechselrichtergehäuse würde am Isolator gestoppt werden, wodurch die Niederspannungssteuereinheit und alle Benutzer im Umfeld der Einheit geschützt sind.

Die beiden Ausgänge des ISO7821LLS von Texas Instruments besitzen unabhängige Aktivierungspins, die ihre jeweiligen Ausgänge deaktivieren können, indem sie in einen hochohmigen Zustand versetzt werden. Das ist praktisch, wenn sich die Komponente auf einem LVDS-Bus mit mehr als einem Treiber befindet und den Bus einem anderen Bus-Master überlassen muss. Das lässt sich in industriellen Umfeldern anwenden, in denen Hochspannungsausrüstung von mehreren Steuereinheiten an verschiedenen Standorten betrieben werden soll.

Um Entwicklern die Evaluierung des ISO7821LLS zu erleichtern, bietet Texas Instruments das Evaluierungsboard ISO7821LLSEVM an (Abbildung 3). Es erfordert nur ein Minimum an externen Komponenten und kann zur Untersuchung des Verhaltens und der Leistung des ISO7821LLS genutzt werden. Es ermöglicht die Überwachung der LVDS-Bus-Kommunikation zu Test- und Benchmarking-Zwecken.

Abbildung 3: Das Evaluierungsmodul ISO7821LLSEVM von Texas Instruments kann zum Testen und Evaluieren der LVDS-Datenkommunikationsleistung des Zweikanal-Differential-Isolationspuffers ISO7821LLS verwendet werden. (Bildquelle: Texas Instruments)

Weil jede Hochspannungsanwendung anders ist, ist das ISO7821LLSEVM nicht zum Testen des Hochspannungsisolationsverhaltens des ISO7821LLS vorgesehen.

Layout des galvanischen Isolators

Beim Layout des galvanischen Hochspannungsisolators muss mit größter Sorgfalt vorgegangen werden, um eine effektive Isolation zu gewährleisten. Für ein Platinendesign mit niedrigen EMI-Werten gelten Standardregeln beim Layout. Dazu zählt die Verwendung einer Platine mit mindestens vier Schichten mit Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen oben und einer soliden Masseebene darunter, unter der wiederum die Leistungsebene angeordnet ist. Die langsameren Steuersignale sollten sich auf der unteren Ebene befinden.

Entscheidend ist, dass die Niederspannungs- und Hochspannungskomponenten auf der Platine physisch voneinander getrennt sind. Zu diesem Zweck verfügen die hier vorgestellten Isolatoren über getrennte Leistungsdomänen für die linke und rechte Seite des Gehäuses. Außerdem dürfen die Leiterbahnen für eine Domäne nicht in der Nähe von denen für die andere Domäne verlaufen, um Signalinterferenzen zu vermeiden.

Wenn sich der Isolator im Hochspannungsabschnitt befindet, ist es eventuell sicherer, den Isolator so zu platzieren, dass seine Niederspannungsseite zu einem Rand der Platine zeigt. Das trägt dazu bei, jegliches Überschlagen von Hochspannungen zur Niederspannungsseite zu verhindern, was schwere Schäden an der Niederspannungselektronik am anderen Ende des Isolators bewirken könnte.

Fazit

Für Industrieanlagen, die mit Tausenden von Volt arbeiten, werden Komponenten benötigt, die diese hohen Spannungen sicher von der digitalen Steuerlogik mit ihren 5 Volt oder weniger isolieren können, um die Ausrüstung und ihre Benutzer zu schützen. Es liegt in der Natur von industrieller Ausrüstung, dass eine solche Isolierung auch unter extremen Temperaturschwankungen und über lange Zeiträume stabil und zuverlässig funktionieren muss.

Wie dieser Artikel gezeigt hat, weisen digitale Isolatoren auf der Basis galvanischer Trennung die Isolationseigenschaften und Betriebstemperaturspezifikationen auf, die für solche Anwendungen geeignet sind. Mit der nötigen Sorgfalt bei Layout und Konfiguration können sie Schäden und Verletzungen vermeiden.