Innovationen im Bereich der Isolierung ebnen den Weg für fortschrittlichere Elektrofahrzeuge, Unterhaltungselektronik, medizinische Geräte und mehr

08 Sep. 2022
 

Hinter jeder Hochspannungs-Technologie verbirgt sich mit großer Wahrscheinlichkeit eine unbekannte Innovation, die hinter den Kulissen ihre Arbeit verrichtet.

Die Isolierung – eine wichtige Grundlagentechnologie, die in allen Bereichen, von Elektrofahrzeugen bis hin zu Unterhaltungselektronik und automatisierten Fabrikanlagen, zum Einsatz kommt – schafft es nur selten auf die Titelseiten. Und das ist so gewollt. 

„Wir wollen nicht, dass die Leute etwas über das Thema Isolierung hören“, so Pradeep Shenoy, Leiter des Leistungs-Design-Teams für die Automobilindustrie in unserem Unternehmen. „Wenn es die Isolierung in die Nachrichten schafft, bedeutet das, dass es ein Problem gab.“

Die Isolierung von Stromkreisen ist ein wichtiges Designelement für Geräte mit Wechselstrom- (AC) und Gleichstromquellen (DC). Das gilt insbesondere für Stromkreise, die mit Hochspannung arbeiten. Wenn die Isolierung nicht ordnungsgemäß umgesetzt wird, kann es zu elektromagnetischen Störungen, elektrischen Schäden, Kurzschlüssen, Bränden oder Stromschlägen kommen. 

„Die Art und Weise, wie man die Isolierung umsetzt, ist wichtig, weil sie sich auf andere Teile des Systems auswirkt und elektromagnetische Störungen, Effizienz und Platzbedarf beeinflusst“, so Shenoy. „Diese Störungen können die Datenübertragung unterbrechen oder die Motoren blockieren – ein wichtiges Beispiel dafür, warum man eine Isolierung einsetzt.“

Bewältigung neu entstehender Herausforderungen im Bereich der Isolierung

Da es die Menschen heutzutage mit immer mehr Hochspannungsanwendungen zu tun haben, wird die Isolierung zu einer immer größeren Herausforderung. Beispiele hierfür sind etwa Elektrofahrzeuge, die mit 400- oder 800-Volt-Batterien betrieben werden. Die Systeme, die diese Batterien managen und mit dem Rest des Fahrzeugs kommunizieren, erfordern isolierte Komponenten, durch die Größe, Gewicht und Kosten eines Fahrzeugs in die Höhe getrieben werden können. Und da auch die Unterhaltungselektronik immer ausgefeilter und miniaturisierter wird, steigt auch das Risiko elektromagnetischer Störungen – ein unerwünschtes Nebenprodukt von Schaltströmen und -spannungen.

Die neuen Halbleiterrelais unseres Unternehmens helfen Ingenieur:innen dabei, Komponenten aus ihren Designs zu entfernen und somit die Größe und Kosten ihrer Lösungen zu reduzieren. Sie integrieren die Leistungs- und Signalübertragung auf einem einzigen Chip und verfügen über genügend Kapazität, um den Strombedarf der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen, Netzinfrastrukturen, Industrierobotern und mehr zu decken. Die umfangreiche Integration in diesen Chips benötigt nur ein Zehntel des Platzes, der für herkömmliche Isolierungskomponenten erforderlich ist.

„Ohne Integration benötigt man einen externen Transformator, um die Isolierung zu gewährleisten. Diese Teile können das Design vergrößern und komplizierter machen“, so Robert Taylor, Leiter des Teams für industrielle Stromversorgungssysteme in unserem Unternehmen. „Die Zuverläsigkeit steigt, wenn alles  in sich geschlossen ist.“

 

Einige herkömmliche Isolierungsdesigns verwenden physikalische Relais, deren bewegliche Teile sie unter ungünstigen Bedingungen, wie z. B. extreme Hitze, Kälte oder Vibration, störanfällig machen. Halbleiterrelais mit integrierter Leistungs- und Signaltrennung haben keine beweglichen Teile, die sich mit der Zeit abnutzen. Daher haben sie eine bis zu 10-mal längere Lebensdauer als ein herkömmliches Relais.

Unser Unternehmen ist außerdem einer der wenigen Hersteller, die magnetische Isolierung in Halbleitergeräte integrieren, und das einzige Unternehmen, das kontinuierlich in magnetische und kapazitive Isolierung investiert. Unsere Fortschritte bei der kapazitiven und magnetischen Isolierung, der Entwicklung von Gehäusen und der Prozesstechnologie sorgen dafür, dass Strom und Hochgeschwindigkeitssignale sicher und zuverlässig übertragen werden können. Und zwar über die Isolierungsbarriere in industriellen und automobilen Systemen wie Elektrofahrzeugen, Netzinfrastruktur, Fabrikautomation und Motorantrieben hinweg.

„Hochspannung ist entscheidend für eine effiziente und kostengünstige Stromübertragung. Die Isolierung wiederum ist für die Sicherheit überall dort entscheidend, wo Hochspannung anliegt“, so Jeff Morroni, Direktor für Energiemanagement bei Kilby Labs, der Forschungs- und Entwicklungsgruppe unseres Unternehmens. „Beim Batteriemanagement und anderen Systemen in Elektrofahrzeugen müssen wir beispielsweise Stromschlägen vorbeugen, indem wir sicherstellen, dass hohe Spannungen nicht bis zum Fahrgestell vordringen. Die Anforderungen an die Isolierung entwickeln sich immer weiter. Daher suchen wir weiterhin nach innovativen Wegen, um sowohl die Menschen als auch die Hochspannungssysteme, mit denen sie interagieren, zu schützen.“

Isolierung in der Praxis

Um die Bedeutung der Isolierung besser zu verstehen, ergibt es Sinn, sich zu vergegenwärtigen, welche Rolle sie auf einigen der wichtigsten heutigen Märkte spielt.

Elektrofahrzeuge: Elektrofahrzeuge verfügen über eine Hochspannungsbatterie – mit in der Regel 400 oder 800 Volt – für den Antrieb und eine herkömmliche Niederspannungsbatterie für die Annehmlichkeiten und das Infotainment im Fahrzeug. Die Isolierung spielt eine Doppelrolle als Schutzkomponente und Leistungsverstärker. 

„Die Isolierung in Elektrofahrzeugen dient dem Schutz des Fahrers beim Ausschalten des Fahrzeugs. Sie spielt aber auch eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Lebensdauer der Batterien von Elektroautos zu verlängern“, so Shenoy. „Die Isolierung ermöglicht es denjenigen Systemen, welche die Batteriezellen überwachen, kontrollieren und schützen, sicher und genau mit dem zentralen Mikrocontroller zu kommunizieren, der mit einer anderen Spannung arbeitet.“  

Industrieautomatisierung: Verbesserungen in der Isolierungstechnologie können Schutz vor Hochspannungsspitzen bieten, die Geräte beschädigen oder Menschen verletzen können. Auch automatisierte Geräte wie Sensoren, Motoren, Roboter und andere Ausrüstungen können durch Isolierungen vor Signalstörungen geschützt werden, damit sie zuverlässig arbeiten können. „Isolierungstechnologie schützt die Energieversorgung, Kommunikation und Steuerung – die Funktionen, die eine intelligente Automatisierung in der gesamten Fabrikhalle ermöglichen und die Effizienz, Produktivität und Sicherheit verbessern“, so Taylor. „Ihre wichtigste Funktion ist allerdings die Sicherheit und der Schutz des Endnutzers.“

Solartechnik und Smart Grid: Überall dort, wo Strom erzeugt und übertragen wird, braucht man eine gewisse Isolierungstechnologie. Dazu gehören Solarzellen, die Sonnenenergie in Strom für das Stromnetz umwandeln. „Die Hochspannung von den Solarmodulen muss isoliert und anschließend in Wechselstrom umgewandelt werden. Auf dem Weg durch das Stromnetz muss die Spannung herabgewandelt werden“, so Taylor. „Jedes Mal, wenn wir die Spannung herabwandeln – von Hochspannung auf Mittelspannung, die in den Transformator vor dem Haus eingespeist wird – ist eine andere Isolierungsschicht erforderlich, um die Sicherheit zu gewährleisten.“

Medizingeräte: Die Reduzierung von Kosten ist im Gesundheitswesen immer eine Priorität. Die geringere Größe und Komplexität von Geräten mit Halbleiterisolierung ermöglicht es den Entwicklern, kleinere Stromkreise zu entwickeln, ohne dabei Abstriche bei der Sicherheit oder den Funktionen machen zu müssen. Die höhere Zuverlässigkeit der modernen Halbleiterisolierungen unterstützt die Forderung nach langer Betriebszeit und geringen Ausfallraten im Gesundheitswesen.

„Bei TI entwickeln wir seit zwei Jahrzehnten Isolierungstechnologien in integrierten Stromkreisen für Hochspannungssysteme“, so Morroni. „Wir finden immer wieder neue Wege, um die Isolierung zu verbessern und es den Ingenieuren zu ermöglichen, die Komplexität zu reduzieren und die Sicherheit in Stromversorgungssystemen zu erhalten.“