Festkörperisolatoren versprechen Vorteile gegenüber optisch basierten Relais

Es ist verlockend, sich bei der Auswahl von Komponenten für elektronische Anwendungen auf Altbewährtes zu verlassen. Die Vertrautheit mit bestehenden Optionen, die niedrigeren Kosten älterer Technologien oder das Zögern, sich neuen Integrationsherausforderungen zu stellen, können von der Einführung neuer Optionen abhalten. Bei der Erwägung neuerer Festkörperisolator-Technologien (SSI) im Vergleich zu Alternativen sollten Produktentwickler jedoch auch die Frage „Jetzt zahlen oder später zahlen?“ in Betracht ziehen.

Anfang 2024 stellte Infineon Technologies eine neue Produktfamilie von Festkörperisolatoren (SSI) vor (Abbildung 1), die die kernlose Transformatortechnologie nutzen, um eine 20-fach höhere Energieübertragung, zuverlässigeres Schalten von Schaltkreisen und Schutzfunktionen zu ermöglichen, die mit optisch basierten Halbleiterrelais (SSR) nicht verfügbar sind. Sie versprechen außerdem eine um 40 % geringere Einschaltleistung und andere Vorteile im Vergleich zu elektromagnetischen Relais (EMR).

Abbildung 1: Der iSS120R02H von Infineon, einer der Festkörperisolatoren des Unternehmens, basiert auf kernloser Transformatortechnologie und wird in Halbleiterrelais eingesetzt. (Bildquelle: Infineon Technology)

Mit diesen SSIs können robuste kundenspezifische SSRs entwickelt werden, die Lasten von mehr als 1000 V und 100 A steuern können. Die Isolatoren ermöglichen die Energieübertragung über die Isolationsbarriere, um große MOSFETs und bipolare Transistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) anzusteuern, ohne dass eine isolierte Vorspannungsversorgung zur Ansteuerung des Gates erforderlich ist.

Die langfristigen Vorteile und die Zuverlässigkeit von SSI können die Einsparungen bei der Verwendung von Optokopplern oder EMR ausgleichen. Die Integration dieser Komponenten in Anwendungen kann zwar eine anfängliche Lernkurve aufweisen, aber das ist bei jedem technologischen Fortschritt der Fall.

Ein einfacheres Leistungsdesign und eine längerfristige Zuverlässigkeit sind wesentliche Faktoren für die Kundenzufriedenheit, so dass Unternehmen die Materialkosten gegen die langfristigen Kosten abwägen sollten. Die überragende Leistung und die Strom- und Temperaturschutzfunktionen von Infineons SSI bieten eine höhere Zuverlässigkeit und können die Gesamtbetriebskosten senken.

Die SSIs von Infineon kommen ohne die für EMRs charakteristischen beweglichen Teile aus und bieten schnellere Schaltgeschwindigkeiten und eine geringere Verlustleistung als SSRs auf optischer Basis. Die SSIs von Infineon bieten elektronischen Anwendungen eine verbesserte Performance, Zuverlässigkeit und eine bessere thermische Effizienz, wodurch der Bedarf an Kühlkörpern minimiert wird. LEDs in optischen SSRs können sich mit der Zeit verschlechtern, während SSIs auf der Technologie von kernlosen Transformatoren basieren, die für eine höhere langfristige Zuverlässigkeit ausgelegt sind.

Die Eingangsseite der Infineon-SSIs ist 3,3V-kompatibel und verfügt über einen integrierten Pufferkondensator für die Spannungsversorgung. Die Versorgung basiert auf einem Shunt-Regler, der eine Diodenstruktur emuliert. Externe Pufferkondensatoren sind nicht erforderlich, können aber verwendet werden. Sie können eine hohe Ausgangsspannung von bis zu 18 V liefern, ohne dass eine Serien- oder Parallelkonfiguration für die Gate-Ansteuerung erforderlich ist.

Laut Infineon reicht die Ausgangsspannung (V_OUT) aus, um MOS-gesteuerte Transistoren zu treiben, darunter die Leistungs-MOSFETs der Serien CoolMOS^TM und OptiMOS^TM sowie die IGBTs der Familie TRENCHSTOP^TM von Infineon. Die Anwendungen können die Vorteile der fortschrittlichen ausgangsseitigen Steuerungsfunktionen nutzen, einschließlich des schnellen Ein- und Ausschaltens, des Übertemperaturschutzes und des Überstromschutzes. Alle Komponenten der Familie wurden gemäß IEC 60747-17 und UL1577 zertifiziert.

Die Bausteine von Infineon können für kundenspezifische SSRs in einem breiten Spektrum von Hochspannungs- und Hochstromanwendungen eingesetzt werden, von Industrieanlagen bis hin zu Stromnetzen und erneuerbaren Energien. Sie können in der Energieverteilung, in Stromversorgungen, in automatischen Testgeräten, in der Robotik, in Instrumentensystemen, im fortschrittlichen Batteriemanagement und in zahlreichen anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Zur SSI-Familie von Infineon gehört der iSSI30R12H, der in einem DSO-16-33-Gehäuse untergebracht ist und für den Einsatz mit den Leistungs-MOSFETs „CoolMOS™ S7 T-Sense“ mit integriertem Temperatursensor zugeschnitten ist. Die Eingangsseite des Isolators ist 3,3V-kompatibel und arbeitet mit einem Versorgungsstrom von typisch 16 mA.

Weitere Bauteile der Familie zur Verwendung mit externen PTC-Widerständen sind:

• Der iSSI20R02H, der iSSI20R03H und der iSSI20R11H, alle im DSO-8-66-Gehäuse
• Der iSSI30R11H in einem DSO-16-33-Gehäuse

Infineon bietet auch Evaluierungsboards für die Bausteine der SSI-Familie an. Das Eval-iSSI30R12H (Abbildung 2) enthält beispielsweise einen iSS130R12H mit zwei CoolMOS™-MOSFETs IPT60T022S7 in einer AC-Schaltkonfiguration mit einer Steuerschnittstelle, die an einen Impulsgenerator, einen Mikrocontroller oder andere digitale Schaltungen mit einer entsprechenden Treiberleistung von mindestens 25 mA angeschlossen werden kann.

Abbildung 2: Das EVAL-iSSI30R12H ist eines von mehreren Evaluierungskits zum Testen von Schaltvorgängen mit den Festkörperisolatoren von Infineon. (Bildquelle: Infineon Technology)

Fazit

Die Festkörperisolatoren von Infineon bieten wichtige Vorteile in Bezug auf Performance, Zuverlässigkeit und Wärmemanagement bei der Entwicklung von SSRs für Kunden. Da es keine beweglichen Teile gibt und die Energieübertragung größer ist als bei elektromagnetischen Relais und SSRs auf optischer Basis, bieten sie Optionen für leistungsfähigere und langlebigere Anwendungen, die die anfängliche Lernkurve mehr als rechtfertigen.