I sistemi di propulsione ibridi ed elettrici impiegati in automobili, autocarri e veicoli a due ruote stanno presentando nuove sfide e problemi finora ignoti nel settore dei trasporti. L’impianto elettrico a 12 V adesso è completato da una batteria da 400 V o più e un sistema di alimentazione, che introducono una nuova serie di requisiti per i produttori di autoveicoli e i fornitori di moduli per il sistema. È necessario assicurare l'isolamento di tutti i componenti dell’impianto elettrico: la batteria ad alta tensione, il convertitore Dc/Dc, l’inverter per l’azionamento del motore elettrico, nonché del modulo di carica collegato alla rete elettrica a 230 o 380 V. L’isolamento nelle applicazioni automobilistiche e di trasporto introdurrà dei nuovi requisiti rispetto a quelli già conosciuti per le applicazioni industriali. Certamente deve essere molto robusto – anche contro il rumore magnetico. Gli alti livelli di potenza (ad esempio, un motore elettrico da 100 kW alimentato a 400 V comporta correnti di 250 A) creano nel veicolo forti campi magnetici che devono essere gestiti. Inoltre, occorre assicurare una lunga durata dei componenti, in grado di rispondere all’aspettativa di vita del veicolo, che nel trasporto pesante può raggiungere anche vari decenni. L'utilizzo dell’ambiente automobilistico comporta la necessità della corrispondente qualificazione (Q1) e del funzionamento nel campo di temperature da -40 a 125 °C. La pressione sui costi dell’ambiente automobilistico farà nascere la necessità di una maggiore integrazione a livello di sistema, con una strategia di sviluppo del prodotto basata su un singolo chip ma con funzioni integrate quali transceiver Can, convertitori A/D e driver di gate che abbiano già le caratteristiche di isolamento .
Metodi di isolamento digitale
e applicazione nei trasporti
I metodi di isolamento digitale si possono raggruppare in ottico, induttivo, capacitivo e a radiofrequenza. Sono descritti di seguito i primi tre.
• L’isolamento ottico è basato sulla trasmissione della luce attraverso una barriera di isolamento non conduttiva trasparente. Il segnale digitale elettrico viene convertito in un segnale ottico pilotando un Led; il segnale ottico viene quindi trasmesso lungo la barriera di isolamento e riconvertito in un segnale elettrico mediante un rivelatore ottico (fotodiodo o fototransistor). Il vantaggio principale dell’isolamento ottico è l’immunità della luce ai campi elettrici o magnetici e la possibilità di trasferire segnali statici. Lo svantaggio è che le velocità di trasmissione degli isolatori ottici sono limitate dai led. Per l’uso in applicazioni Hev/Ev, un altro svantaggio principale è certamente la durata limitata. Nel corso del tempo il Led diventa meno efficiente, quindi richiede correnti di pilotaggio del segnale sempre più alte (il loro valore iniziale normalmente è di 10 mA) e infine rende l’isolatore non funzionale.
• L’isolamento induttivo è basato sulla variazione di un campo magnetico tra due bobine per trasmettere il segnale attraverso la barriera di isolamento. Un vantaggio di questo metodo è il fatto che la differenza fra il trasferimento di modo comune e quello differenziale comporta una buona immunità contro il rumore, mentre lo svantaggio è la possibile distorsione causata dai campi magnetici, alquanto frequenti, ad esempio, nell’ambiente di controllo del motore di un sistema Hev/Ev.
• L’isolamento capacitivo è basato sulla variazione di campi elettrici attraverso una barriera di isolamento. I vantaggi di questo metodo sono l’immunità più alta ai campi magnetici e la lunga durata del sistema; inoltre, la velocità di trasmissione è prossima a quella del metodo induttivo. Gli svantaggi sono l’assenza del segnale differenziale (ossia il segnale e il rumore si propagano sullo stesso canale) e – come nel metodo induttivo – l’impossibilità di trasmettere direttamente segnali statici (occorre prima codificarli con un segnale di clock).
Soluzioni di isolamento
Texas Instruments utilizza il metodo di isolamento capacitivo per le famiglie di prodotti ISOxxxx. I dispositivi ISOxxxx sono costruiti in un singolo package contenente due chip separati, uno di trasmissione e uno di ricezione; la sola connessione tra i due chip è realizzata mediante wire bonding. L’isolamento effettivo è attuato sul chip di ricezione (lato destro) utilizzando un condensatore al biossido di silicio (SiO2) con elettrodi sul substrato in silicio drogato e rame. L’impiego del SiO2 offre il vantaggio di un’alta affidabilità e quindi lunga durata. I due canali rendono possibile la trasmissione di segnali sia Dc che Ac, ma sono utilizzati anche per funzioni failsafe. Il canale Ac principale trasmette il segnale d’ingresso (filtrato) attraverso una coppia differenziale di condensatori di isolamento. Il segnale viene quindi rilevato all’ingresso di un trigger di Schmitt sul chip di ricezione e reso disponibile tramite il buffer di uscita. Si può ottenere così velocità di trasmissione molto alta, bassa distorsione della durata dell’impulso e brevi ritardi di propagazione – ma non è possibile trasmettere i segnali Dc.
Si può invece adoperare il canale Dc per trasmettere tali segnali (o anche segnali a velocità molto bassa) attraverso la barriera d’isolamento. Il segnale viene codificato, tramite l’oscillatore integrato nel chip, in un segnale Pwm e trasmesso attraverso la barriera con segnali differenziali analoghi a quelli sul canale Ac. Al chip di ricezione il segnale viene decodificato e reso disponibile tramite il buffer di uscita. Il canale Dc viene utilizzato anche per la funzionalità failsafe. Ad esempio, se la tensione di alimentazione al lato di trasmissione è insufficiente, l’oscillatore cessa di funzionare per cui al lato ricevitore non viene rilevata nessuna portante; si genera quindi un’indicazione di errore e l’uscita va allo stato alto. Nel normale funzionamento (ossia con densità sufficiente di trasmissione dei dati), il multiplexer di uscita ignora il canale Dc, ma nel caso di assenza di trasmissione sul canale Ac per circa 4 µs, il canale Dc ha priorità; non appena il segnale Ac è di nuovo presente, il multiplexer passa immediatamente a questo canale. È disponibile una gamma di dispositivi di isolamento per diverse configurazioni (dalla singola alla quadrupla). Tutti questi dispositivi offrono isolamento continuo a 560 V (transitori di picco pari a 4 kV) a velocità di trasmissione dati fino a 150 Mb/s e sono tutti qualificati per l’uso nel settore automotive a temperature comprese tra -40 e 125 °C. La famiglia ISO7xxx sarà ampliata ulteriormente con nuove versioni che offriranno livelli di isolamento ancora più alti.
Considerazioni sull’affidabilità
e immunità contro campi esterni
L’esigente ambiente dei trasporti, unitamente alla lunga durata dei veicoli, richiede specifiche caratteristiche del dispositivo. Il tempo medio fra i guasti è un metodo standard di determinazione dell’affidabilità di circuiti a semiconduttore, e nel caso di dispositivi di isolamento è valido per entrambi: il circuito integrato e il meccanismo di isolamento. Considerando un livello di confidenza del 90% e una temperatura ambiente di 125 °C, il valore Mttf (Mean Time to Failure) per tipici dispositivi induttivi e capacitivi è superiore a 2.000 anni, mentre il valore Fit (guasti nell’arco di 109 ore) è inferiore a 60. Per i tipici dispositivi ottici, il valore Mttf è di appena 30 anni e il valore Fit è uguale quasi a 4.000.
Funzioni isolate
Per mitigare la crescente pressione sui costi, è certamente desiderabile integrare le diverse funzionalità del sistema e questo accade anche per quanto riguarda i dispositivi isolati. TI offre una vasta gamma di dispositivi basati sull’isolamento capacitivo sopra descritto. Ad esempio, il dispositivo ISO1050 offre un transceiver Can isolato completamente integrato. Ma anche per il pilotaggio dei dispositivi di alimentazione in un sistema, la famiglia ISO55xx offrirà driver di gate isolati per tensioni fino a 30 V e correnti di 2,5 A con varie funzioni, come l’avviamento graduale e la protezione con Igbt integrato.
