Come progettare sistemi ad alte tensioni con una maggiore affidabilità, riducendo al tempo stesso dimensioni e costi delle soluzioni.
I sistemi industriali e automotive ad alta tensione, come le apparecchiature per l'automazione di fabbrica, le applicazioni per infrastrutture di rete, gli azionamenti motore e i veicoli elettrici (EV) possono generare diverse centinaia di migliaia di volt, che costituiscono un notevole rischio per la sicurezza delle persone e possono ridurre la durata delle apparecchiature. Il presente articolo spiega come preservare la sicurezza di questi sistemi ad alta tensione utilizzando le più recenti tecnologie di isolamento per migliorare l'affidabilità, riducendo al tempo stesso le dimensioni e i costi della soluzione.
Metodi di isolamento
L'isolamento nei circuiti integrati (IC) si ottiene bloccando le correnti in CC e a bassa frequenza in CA consentendo al tempo stesso alla potenza, ai segnali analogici o ai segnali digitali ad alta velocità di attraversare la barriera di isolamento. La Figura 1 mostra tre comuni tecnologie a semiconduttori utilizzate per ottenere l'isolamento: ottica (fotoaccoppiatore), trasferimento di segnale in campo elettrico (capacitivo) e accoppiamento di campo magnetico (trasformatore).
TI sfrutta la tecnologia di isolamento capacitivo e trasformatori planari integrati proprietari (isolamento magnetico), oltre ad avanzate tecnologie per package e di processo, per ottenere affidabilità, integrazione e prestazioni tra i massimi livelli disponibili con un importante assortimento di circuiti integrati isolati presenti in catalogo.
Isolamento capacitivo
La tecnologia di isolamento capacitivo si basa sul trasferimento del segnale in CA attraverso un dielettrico. Gli isolatori capacitivi di TI sono realizzati utilizzando un dielettrico a SiO2, che offre una rigidità dielettrica molto elevata. Dal momento che il SiO2 è un materiale inorganico, è anche estremamente stabile all'umidità e alla temperatura. Inoltre, la metodologia proprietaria di TI per condensatore multistrato e passivazione multistrato permette di migliorare la qualità e l'affidabilità degli isolatori riducendo la dipendenza delle prestazioni ad alta tensione su ciascun singolo strato. La tecnologia capacitiva di TI consente di lavorare con tensioni (VIOWM) di 2 kVRMS, resiste a tensioni di isolamento (VISO) di 7,5 kVRMS e presenta una capacità di tensione di picco di 12,8 kVPK.
Isolamento magnetico
L'isolamento magnetico è utilizzato tipicamente in applicazioni che richiedono una conversione di potenza in CC/CC ad alta frequenza. Uno dei vantaggi dell'isolamento con accoppiamento a trasformatore per circuito integrato consiste nella possibilità di trasferire la potenza a centinaia di milliwatt, il che elimina spesso la necessità di un'alimentazione a polarizzazione sul lato secondario. Inoltre, è possibile utilizzare l'isolamento magnetico per inviare segnali ad alta frequenza. Nei sistemi che necessitano di trasmettere sia potenza che dati, è possibile utilizzare le stesse bobine di avvolgimento del trasformatore per potenza e segnali, come mostrato nella Figura 2. Combinando il trasferimento di segnali e potenza attraverso la stessa bobina del trasformatore integrato, è possibile ridurre sia i costi che le dimensioni della soluzione. Il TPSI3050-Q1 e il TPSI3052-Q1 utilizzano il trasferimento combinato di dati e potenza attraverso lo stesso canale del trasformatore.
TI utilizza un approccio a modulo multichip proprietario per l'isolamento magnetico, che racchiude nello stesso package un trasformatore planare ad alte prestazioni con uno stadio di potenza isolato e un die per controller dedicato. Siamo in grado di costruire questi trasformatori con un nucleo di ferrite ad alte prestazioni per migliorare l'accoppiamento e l'efficienza del trasformatore oppure con un nucleo ad aria per ridurre i costi e la complessità nei casi in cui l'applicazione richieda soltanto un modesto trasferimento di potenza.
Raggiungete gli obiettivi di isolamento in modo affidabile riducendo al tempo stesso dimensioni e costi della soluzione.
Applicazioni diverse richiedono approcci di isolamento diversi. A seguire sono riportati alcuni esempi di come i circuiti integrati di TI possono aiutare a risolvere le problematiche di isolamento ad alta tensione in veicoli elettrici e applicazioni per infrastruttura di rete con affidabilità molto elevata e riducendo al tempo stesso le dimensioni e i costi della soluzione (si veda a questo proposito lo studio condotto da Texas Instruments).
Applicazioni per veicoli elettrici
Peso ridotto, più coppia, maggiore efficienza e ricarica più rapida sono alla base della crescita degli stack di batterie ad alta tensione sui veicoli elettrici da 400 V fino a livelli da 800 V o addirittura 1 kV. I sistemi di gestione della batteria (BMS) e gli inverter di trazione sono due dei sottosistemi dei veicoli elettrici più critici in cui la parte a 800 V deve essere isolata dal telaio per contribuire a garantire la sicurezza dei passeggeri e dei loro veicoli.
Lo schema a blocchi mostrato in Figura 3 mostra un esempio di inverter di trazione che utilizza driver del gate isolati per azionare moduli ad alta tensione con transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o al carburo di silicio (SiC) in una configurazione a inverter da CC a CA trifase. Questi moduli possono racchiudere nello stesso package fino a sei interruttori IGBT o SiC, necessitando di un massimo di sei trasformatori di isolamento e alimentando sei circuiti integrati di azionamento del gate indipendenti. L’UCC14240-Q1 è un modulo di alimentazione CC/CC isolato a media tensione e doppia uscita che consente prestazioni superiori in applicazioni a polarizzazione con inverter di trazione e azionamento del gate, riducendo al tempo stesso l'area del circuito stampato grazie al minor numero di trasformatori esterni.
Inoltre, i BMS utilizzano un circuito di pre-carica per collegare i morsetti della batteria ad alta tensione ai sottosistemi. Il driver interruttore isolato TPSI3050-Q1 da 5 kVRMS è stato progettato per sostituire i contattori meccanici di pre-carica e ottenere una soluzione a stato solido più piccola e più affidabile. Offre isolamento rinforzato fino a 5 kVRMS e una durata d'esercizio fino a 10 volte maggiore rispetto ai relè elettromeccanici, che si degradano con il passare del tempo. La Figura 4 mostra le riduzioni in termini di area che il TPSI3050-Q1 è in grado di offrire rispetto a un relè meccanico.
Applicazioni per infrastruttura di rete
L'isolamento è fondamentale nelle applicazioni per infrastruttura di rete per fornire la protezione da picchi di alta tensione che potrebbero danneggiare le apparecchiature o mettere a repentaglio la sicurezza delle persone, nonché per eliminare i disturbi causati dagli anelli di massa nelle interconnessioni che coinvolgono grandi differenze di potenziale di messa a terra (GPD, ground potential differences) e per mantenere l'integrità dei dati durante gli eventi con transienti di modo comune.
Le apparecchiature a energia solare e i caricabatterie per veicoli elettrici possono funzionare a tensioni comprese fra 200 V e 1.500 V o più. La Figura 4 mostra il Progetto di riferimento di un AFE per monitoraggio dell'isolamento per la ricarica di veicoli elettrici e per energia solare ad alta tensione, che offre la possibilità di monitoraggio della resistenza di isolamento in applicazioni per infrastruttura di rete utilizzando l’amplificatore isolato di precisione AMC3330 e l’ interruttore isolato TPSI2140-Q1. Non essendo presente alcuna parte mobile, questa soluzione con relè a stato solido è in grado di eseguire misurazioni frequenti per decenni senza alcun degrado prestazionale. Sia la potenza che i segnali possono essere trasferiti attraverso la barriera di isolamento all'interno del TPSI2140-Q1; pertanto, non vi è alcuna necessità di alimentazioni a polarizzazione sul lato secondario. Inoltre, poiché il dispositivo è disponibile in package SOIC (small outline IC) a basso profilo, le dimensioni della soluzione possono essere ridotte anche del 50% rispetto alle soluzioni basate su fotorelè o relè meccanico (Figura 5).
Conclusione
Grazie all'integrazione di maggiori funzionalità nella sua tecnologia di isolamento, TI consente agli ingegneri di preservare la sicurezza in applicazioni come i veicoli elettrici e l'infrastruttura di rete, riducendo al tempo stesso la complessità di progettazione e le dimensioni e i costi della soluzione. Si consiglia di visitare il sito ti.com/isolationtechnology per scoprire come Texas Instruments stia provvedendo a scalare le tecnologie di isolamento capacitivo e magnetico ai fini dell’aggiunta di maggiori funzioni analogiche.
Risorse supplementari
È consigliabile di leggere il white paper “Come ottenere qualità e affidabilità dall'isolamento di segnali ad alta tensione” per ulteriori informazioni sull'affidabilità dei condensatori di isolamento ad alta tensione di TI (www.ti.com/lit/wp/sszy028/sszy028.pdf).
Anche il brief applicativo “Come semplificare i progetti per moduli di ingresso digitale per PLC a 24 V isolati” è molto interessante come approfondimento (www.ti.com/lit/an/slla370b/slla370b.pdf).
È possibile approfondire i parametri fondamentali di isolamento, le certificazioni e come progettare e risolvere i problemi con varie tipologie di circuiti integrati isolati seguendo inoltre la serie di corsi di formazione “TI Precision Labs – Isolamento” presenti sul sito dell’azienda.
Per saperne di più sulle più diffuse problematiche e metodologie relative all'isolamento galvanico ad alta tensione e su come ottenere l'isolamento ad alta tensione in modo affidabile in sistemi industriali e automotive, riducendo al tempo stesso le dimensioni e i costi della soluzione è possibile scaricare uno white paper direttamente dal sito di TI.
