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Halbleiterschalter für elektronische Sicherungen

Erstellt von Ralf Hickl, Product Manager at Rutronik |

Sicherungen werden in vielen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Bisher wurden Leitungen, Verbraucher und Spannungsquellen meistens durch Schmelzsicherungen geschützt. Der Einsatz von Halbleitersicherungen hat Vorteile.

Sicherungen schützen die Komponenten in elektrischen Stromkreisen. Im Überlast- oder Kurzschlussfall löst die Sicherung aus und öffnet den Stromkreis. Damit wird der Schaden begrenzt und Reparaturkosten vermieden. Idealerweise ist die Abschaltcharakteristik so ausgelegt, dass der Strom unterbrochen wird, bevor andere Komponenten wie Leitungen, Halbleiter oder passive Bauteile der Schaltung defekt werden.

Folglich ist eine richtig dimensioniere  Sicherung  das schwächste Glied im Stromkreis. Maßgeblich ist die thermische Charakteristik des zu schützenden Objekts, z.B. die  elektrische Leitung, der Kabelbaum oder der Halbleiterschalter im angeschlossenen Steuergerät.

Elektronische Sicherungen enthalten statt Schmelzdrähten oder elektromagnetisch ausgelösten mechanischen Kontakten Halbleiterschalter inklusive deren Ansteuerlogik mit Schutz- und Diagnosefunktionen.

Eigenschaften von Sicherungen
Schmelzsicherungen sind Einwegprodukte. Sie leiten, schützen und trennen in beide Stromrichtungen. Dieses bidirektionale Verhalten ist vorteilhaft für Stromkreise mit Lasten, die sich - abhängig vom Betriebszustand - motorisch oder generatorisch verhalten. Das sind zum Beispiel  Antriebswechselrichter, die auch nutzbremsen (rekuperieren) können.
Elektronische Sicherungen hingegen können beliebig oft auslösen und zurückgesetzt werden. Ausführungen mit nur einem MOSFET als Schalter sperren wegen der Body-Diode nur in eine Stromrichtung. Für bidirektionales Trennen müssen deshalb zwei MOSFETs antiseriell geschaltet werden, was einen höheren Aufwand bedeutet. Anders als Schmelzsicherungen haben die elektronischen Pendants einen Eigenenergiebedarf.  Vor allem bei batteriebetriebenen Geräten muss das berücksichtigt werden.

Abschaltverhalten
Herkömmliche Schmelzsicherungen werden charakterisiert durch die Angaben von Nennstrom und Auslöseverhalten (träge, flink, superflink etc.). Bei Sicherungen in elektronischer Ausführung sind flexible Abschaltkriterien möglich. Dazu gehören:

  • I²t-Vorgabe (Grenzlastintegral oder Schmelzintegral)
  • Überstrom
  • Überspannung oder Unterspannung am Eingang der Sicherung
  • Überlast (Leistung)
  • Übertemperatur der Umgebung oder der Sicherung

Auch das Auslöseverhalten einer elektronischen Sicherung kann vom Hersteller der Sicherung definiert werden. So ist es möglich,  z. B. den Strom erst zu begrenzen und dann abzuschalten oder sofort abzuschalten und auf Rücksetzen zu warten.

Da eine elektronische Sicherung bereits einen Schalter enthält, kann sie zusätzlich auch in dieser Funktion  zum Einsatz kommen. Das macht weitere Schalter überflüssig und ermöglicht weitere Funktionen wie z. B. Soft Start (Sanftanlauf) durch das Aufsteuern des Schalters mit einer Pulsweitenmodulation (PWM).

Einschaltverhalten
Schmelzsicherungen sind ein klassisches Einweg-Produkt. Haben sie ihre Funktion erfüllt, sind sie unbrauchbar und müssen ersetzt werden.

Eine elektronische Sicherung erlaubt einen Soft Start durch eine einstellbare Flankensteilheit des Halbleiterschalters oder durch das Aufsteuern mit einer PWM. Einmal ausgelöst, kann das Wiedereinschalten automatisch und zyklisch mit vorher festgelegter Wiederholungszahl für die Rücksetzversuche geschehen. Alternativ ist das Rücksetzen erst nach Anforderung möglich. Eine Netzwerkanbindung ist dabei sehr vorteilhaft.

Besonders in Systemen, die einen Safety Integrity Level (ASIL) erfüllen müssen, ist die Möglichkeit der Diagnose ein notwendiges Produktmerkmal. Auch hier bietet die elektronische Sicherung Vorteile, weil die Diagnostik  direkt integriert werden kann. Die permanente Strommessung ermöglicht  außerdem das Erstellen und Auswerten eines Lastprofils. Das Ergebnis lässt sich zur Frühwarnung sowie für Präventionsmaßnahmen wie vorbeugende Wartung und Verschleißteileaustausch nutzen.

Weitere Eigenschaften elektronischer Sicherungen
Im Überlastfall punktet die elektronische Sicherung mit weiteren möglichen Features:

  • Im Kurzschlussfall erfolgt eine schnellere Trennung und  dadurch ein kürzer andauernder Spannungseinbruch im restlichen Bordnetz. Das ist wichtig für die dort verbauten elektronische Schaltungen, die bei einem längeren Spannungseinbruch mit nachfolgendem Power-Up einen Reset und Boot-Prozess durchlaufen müssen, bevor sie wieder arbeitsfähig sind. Für wichtige Assistenzsysteme, die während der Fahrt für die Dauer des Boot-Prozesses ausfielen, wäre das äußerst bedrohlich – Stichwort „Sichere Versorgung“.
  • Die elektronische Sicherung kann so ausgeführt werden, dass sie den durchlaufenden Strom  auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt, bevor sie trennt. Selbst  bei einem Kurzschluss bricht die Bordnetzspannung dadurch nicht so weit ein, dass andere Steuergeräte in Reset gehen. Zudem wird die Energieaufladung der Streuinduktivitäten limitiert. Das hält Spannungsspitzen beim Ausschwingvorgang klein.
  • Ohne Funkenstrecke entsteht kein Lichtbogen beim Schalten/Trennen. Dadurch ist eine elektronische Sicherung besser geeignet für Ex-geschützte Bereiche.

Produktbeispiele
Tabelle 1 zeigt eine Auswahl von Halbleitern für den Einsatz in elektronischen Sicherungen. Einige  Bauteile wurden für ganz bestimmte Applikationen entwickelt, ein Smart High Side Driver zum Beispiel benötigt noch zusätzliche Logik für einen praxistauglichen Einsatz als Sicherung. Der STEF01 von STMicroelectronics ist ziemlich universell gehalten. Seine Grenzen bezüglich Überstrom (OC), Überspannung (OV), Unterspannung (UVLO) sowie die Slew Rate sind über externe passive Bauteile einstellbar („fully programmable“). Optional kann ein externer FET zur Sperrung von Rückströmen eingesetzt werden.