Halbleiterrelais

Wie PhotoMOS-Relais für sicheres Batteriemanagement sorgen

| Autor / Redakteur: Michael Renner, Sebastian Holzinger * / Gerd Kucera

Bild 1: Schematische Darstellung des Aufbaus eines PhotoMOS-Relais
Bild 1: Schematische Darstellung des Aufbaus eines PhotoMOS-Relais (Bild: Panasonic)

Lithium-Ionen-Akkus für E-Fahrzeuge verlangen eine sorgfältige Entwicklung und ein sicheres Batteriemanagement. Isolationsmessung und Cell Balancing sind zwei wichtige Aufgaben für Halbleiter-Relais.

Nachdem der Automobilmarkt strengen Anforderungen bezüglich Qualität und Zuverlässigkeit unterliegt, werden häufig moderne Halbleiterrelais für diverse Anwendungen eingesetzt. Hierzu zählen unter anderem die Isolationsmessung, das Cell Balancing oder der Wake-up-Schalter (die im Verlauf des Artikels beschrieben werden). Weil ein Gesamtsystem bekanntlich nur so gut ist, wie sein schwächstes Glied, gelten die hohen Anforderungen nicht nur für das Endprodukt, sondern natürlich auch für die einzelnen Bauteile. Deswegen lohnt sich ein Blick ins Innere des PhotoMOS, bevor sie in den verschiedensten Applikationen eingesetzt werden.

PhotoMOS sind eine spezielle Art von Halbleiterrelais, die ausgangsseitig MOSFET-Transistoren und eingangsseitig eine GaAs-Leuchtdiode nutzen. Hierbei handelt es sich um ein stromabhängiges Bauteil, das bereits bei einem Betriebsstrom von nur wenigen mA verlässlich arbeitet. Ein optisch gekoppeltes Solarzellenfeld, das durch einen semitransparenten Isolator aus Epoxidharz vom Eingangskreis getrennt ist, wandelt das von der LED emittierte infrarote Licht in elektrische Spannung um. Durch diese Art der elektrisch nicht-leitenden Verbindung ist eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangskreis gewährleistet.

Die so erzeugte Photospannung versorgt eine Steuereinheit, die wiederum die Gates zweier bidirektional antiseriell verschalteter DMOSFET (Double Diffused MOSFET) ansteuert. Diese Leistungstransistoren befinden sich direkt im Ausgangskreis des Bauteils. Die integrierte Steuereinheit reagiert ab einem bestimmten Schwellwert der Photospannung und schaltet den Ausgang digital an und aus. Dies ermöglicht ein definiertes Schaltverhalten und stellt den größten Vorteil gegenüber eines Optokopplers mit dessen CTR (Current Transfer Ratio) dar.

Um die im Automobilbereich geforderte sichere Trennung zwischen Hochvolt- und Niedervolt-Seite (HV- und LV-Seite) zu gewährleisten, besitzen viele PhotoMOS-Typen eine Isolationsspannungsfestigkeit von bis zu 5000 Vrms zwischen Ein- und Ausgang. Durch die integrierten Leistungs-MOSFET am Ausgang sind die PhotoMOS für Spannungen bis 1500 V einsetzbar.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus ist es möglich, sowohl mit DC- als auch mit AC-Spannungen zu arbeiten. Die maximale Spannung kann im Falle von DC von jedem einzelnen der beiden Ausgangstransistoren geschaltet werden; bei AC-Lasten durch die bidirektional antiserielle Verschaltung alternierend von beiden Transistoren. Um die Spannungsfestigkeit auch auf der Leiterplatte zu gewährleisten, können die Automotive-PhotoMOS-Bauteile (z.B. zur Isolationsmessung) auch im DIP5-Gehäuse bezogen werden. Im Vergleich zur Standard-DIP6-Bauform beträgt der dadurch erhöhte Abstand der Ausgangspins nun mindestens 5 mm.

PhotoMOS-Halbleiterrelais sind als schneller elektronischer Schalter zur Leckstromerkennung bzw. Isolationsmessung verwendbar. Sind die Batterien elektrisch isoliert gegen Masse verschaltet, lässt sich über den eingeschalteten PhotoMOS der Leckstrom messen. Doch die Anforderungen sind hoch: Einerseits soll die Lastseite den hohen DC-Spannungen im offenen Zustand eine Barriere bieten und andererseits muss eine hohe Isolation zwischen Ein- und Ausgang vorhanden sein, um eine dauerhaft sichere Trennung zwischen HV- und LV- Seite sicherzustellen.

Die bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen üblicherweise sehr hohen DC-Spannungen von mehreren 100 bis zu 1000 V bergen ein hohes Risiko für den Menschen. Da die Sicherheit oberste Priorität besitzt, muss der Hersteller dafür Sorge tragen, dass die Fahrgastzelle sicher vom Hochspannungssystem galvanisch getrennt wird. Dazu wird mit Hilfe einer mehrfach redundanten Isolationsmessung ständig überprüft, ob fälschlicher Weise eine leitende Verbindung zwischen beiden Batteriepolen und der Fahrzeugkarosserie (Masse des LV-Systems) besteht. Im Falle dessen würde die komplette Spannungsversorgung umgehend deaktiviert und die Fahrgäste vor gefährlichem Stromschlag geschützt werden; Bild 3 skizziert den Messaufbau.

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