48V nu înseamnă numai de patru ori 12V, ci și intrarea în lumea vehiculelor hibride și un salt important către electro-mobilitate și conducere autonomă. Distanțele de degajare și conturnare sunt cheia sistemelor electrice pe 48V. Degajarea reprezintă cea mai scurtă distanță prin aer între doi conductori electrici. Atunci când se operează la peste aproximativ 20V, în cazul unui scurtcircuit, a ruperii unui cablu sau în cazul comutării în sarcină, sunt așteptate arcuri electrice periculoase. Arcurile devin foarte fierbinți și prezintă un risc imens de incendiu. Pentru a gestiona eficient acest risc, sunt utilizate relee speciale și sisteme de contact, caracterizate prin impact ridicat și stabilitate cu temperatura.
O altă soluție, care este din punct de vedere tehnic mai complexă, dar mai prevăzătoare, pentru prevenirea arcurilor, o reprezintă detectarea lor timpurie prin măsurarea și evaluarea curentului și tensiunii cu ajutorul unor senzori inteligenți.
Arcurile și pericolele pe care le reprezintă
Pe lângă tensiunile de peste 20V, există o altă condiție pentru arderea permanentă a arcurilor. În funcție de curent și tensiune, pentru a menține un arc constant, este nevoie de o ieșire minimă de aproximativ 100W. Circuitele electrice din sistemele de 48 de volți sunt de aceea expuse unui înalt risc de arcuri electrice, deoarece în această categorie se încadrează consumatorii cu cerințe ridicate de putere, cum ar fi de exemplu un turbo-încărcător electric, controlul stabilității dinamice sau direcție alimentată electric. Din acest motiv, conceptele potrivite de protecție sunt indispensabile. În principiu, există două tipuri de arcuri:
▶ Cel mai simplu tip, un arc paralel cu sarcina, apare datorită unui scurtcircuit al conductorului purtător de curent la masă, de exemplu datorită unei izolații defectuoase. Dacă această cale de curent are o rezistență suficient de mică, scurtcircuitul sau curentul de arc este foarte mare și se adaugă la curentul de sarcină. Acest lucru produce acționarea siguranței fuzibile, care deconectează circuitul electric și face să dispară arcul. Nu mai este nevoie de spus că siguranța fuzibilă trebuie să fie capabilă să facă să dispară arcul electric.
▶ Al doilea tip, arcul în serie cu consumatorul, este mult mai greu de detectat. El apare atunci când circuitul “activ” este întrerupt. Exemplele acestui tip de arc sunt deschiderea unor contacte de tip releu și deconectarea conectorilor în timp ce curentul le străbate. Arcurile pot, de asemenea, apărea datorită firelor rupte, contactelor slăbite sau datorită unor conexiuni defecte la masă.
Deoarece calea arcului este în serie cu sarcina, căderea suplimentară de tensiune la nivelul arcului reduce curentul de sarcină. Acesta este motivul pentru care siguranțele uzuale nu detectează arcurile serie. Capacitatea de întrerupere a siguranței fuzibile nu este depășită.
Într-un sistem electric convențional, siguranța fuzibilă este un dispozitiv protectiv tipic care previne riscul aprinderii unui cablu prin supraîncălzire, supracurenți sau scurtcircuit. În viitor, aceasta va fi în mod logic înlocuită cu o soluție electronică pentru a asigura detectarea fiecărui tip de arc, precum și eliminarea sa sigură și eficientă.
Siguranțele electronice oferă mai multe opțiuni
Pe lângă protecția împotriva arcurilor, siguranțele electronice constând din comutatoare cu semiconductoare oferă avantaje suplimentare. Prin contrast cu siguranțele fuzibile, siguranțele electronice pot fi reinițializate și apoi reutilizate. Odată declanșată, siguranța electronică poate fi diagnosticată și reinițializată printr-o magistrală a vehiculului fără utilizarea de unelte.
Caracteristicile de siguranță ale unui canal sunt, pe scară largă, liber proiectabile pentru o siguranță electronică. De exemplu, capacitățile de întrerupere pure la supracurent pot fi definite pentru curenți foarte mari, în vreme ce caracteristicile I²t pot fi utilizate ca limite de întrerupere pentru curenți medii și mici. Caracteristicile siguranței pot fi adaptate flexibil la capacitatea de transport de curent a firelor conectate și la comportamentul dinamic al sarcinii. Prin contrast, atunci când se utilizează siguranțe fuzibile, este necesară stocarea de variante hardware cu diferite capacități de sarcină, precum și caracteristici ale excursiei (acțiune întârziată).
O siguranță electronică combină funcții de siguranță și comutație, ceea ce reprezintă un avantaj adițional. O siguranță fuzibilă poate comuta numai OFF, în vreme ce o siguranță electronică comandată prin magistrală poate comuta atât ON, cât și OFF. În acest fel se poate elimina necesitatea pentru un întrerupător de circuit, un dispozitiv de protecție care va fi adițional cerut într-un concept cu siguranță fuzibilă.
Următorul aspect are de-a face cu siguranța. O siguranță electronică cu conexiune la magistrală poate, de asemenea, întrerupe alimentarea într-o manieră țintită și controlată. Managementul sistemelor electrice poate să-și asume și un rol activ în distribuția de energie electrică, cum ar fi de exemplu puterea disponibilă într-un circuit relevant din punct de vedere al siguranței.
Motive posibile pentru formarea arcurilor (sursă: Bosch)
Înlocuirea siguranțelor cu iFuse de la Bosch
Partenerul nostru Bosch lucrează la ora actuală la dezvoltarea unui ASIC înalt integrat, cunoscut ca iFuse, pentru aplicații de 12V, 24V și 48V. Împreună cu un microcontroler și MOSFET-uri de putere cu canal N, iFuse poate fi utilizat pentru a proiecta o siguranță cu semiconductoare, având 4 canale.
Pentru a face acest lucru, iFuse integrează diferite funcții ale cipului companion de pe sistemul de bază, precum sursă de tensiune, temporizator de siguranță − watchdog și monitorizare de tensiune pentru microcontroler. La acestea se adaugă drivere de poartă pentru MOSFET-urile cu canal N, utilizate pe post de comutatoare. Obținem un rezultat excepțional: curentul este măsurat fără necesitatea unor senzori externi, precum rezistențele de șunt!
Funcția de bază “închidere la supracurent” apare, de asemenea, autonom, fără a implica microcontrolerul. Interfața SPI a µC este utilizată pentru a configura modulul, pentru a controla ieșirile și watchdog-ul și pentru a citi și diagnostica datele de stare.
Generarea tensiunii
iFuse conține și un convertor coborâtor de tensiune pentru conectarea directă la sistemul electric și la stabilizatoarele liniare pentru sursa de tensiune internă și alimentarea externă a microcontrolerului. Tensiunile de poartă pentru tranzistoarele de comutație sunt generate prin intermediul unui convertor intern ridicător de tensiune. Ambele stabilizatoare în comutație au FET-uri interne, acest lucru însemnând că sunt necesare doar puține componente externe.
iFuse poate fi protejat la inversarea polarității cu ajutorul unui MOSFET extern. iFuse operează la o sursă de tensiune de peste 3.5V – permanent, chiar și după trecerea în starea ON și este prin urmare subiect al curentului de pornire la rece (CCA).
Detecția arcului
Prin combinație cu o sarcină inteligentă cu conexiune la magistrală, iFuse permite detectarea arcului. Pentru a face acest lucru, atât microcontrolerul prin iFuse, cât și sarcina inteligentă determină tensiunea și curentul de alimentare și compară aceste valori prin microcontroler în unitatea de control a iFuse. Dacă valoarea curentului determinat de sarcină este mai mică decât curentul măsurat de iFuse, aceasta indică un arc paralel cu sarcina. Dacă tensiunea de alimentare determinată de sarcină este mai mică decât cea de alimentare măsurată de iFuse, atunci motivul poate fi un arc în serie cu sarcina.
O altă metodă de a determina un arc este aplicată prin analiza spectrală a tensiunii de alimentare sau a curentului de sarcină. Această sarcină poate fi asumată de microcontrolerul cu capabilitate DSP în unitatea de control a iFuse. iFuse asigură semnalele de măsurare solicitate, care sunt trasate la frecvențe ridicate. Acest lucru este uzual suficient în conjuncție cu monitorizarea supracurentului pentru sarcini fără “inteligență” integrată sau sarcini care nu pot comunica.
Funcții de protecție
• Funcții de protecție pentru supracurent, independent, fără intervenția µC
• Funcții complet protective până la o alimentare de 3.5V
• Detecție supracurent și oprire în mai puțin de 10µs
• Detecție și protecție la inversarea polarității
• Detecția supracurentului și oprire în mod activ și de așteptare
• Detecție individuală a supratemperaturii pentru driverele interne de poartă
• Suportă detecția arcului fără a afecta funcțiile de protecție
Avantaje
• O soluție de bază pentru siguranțe inteligente potrivite pentru toate sistemele electrice LV
• Mai puțin spațiu necesar datorită nivelului ridicat de integrare
• Sursă de alimentare robustă de clasă auto
• Moduri de economisire pentru eficiență energetică
• Diagnoză de sistem ușor de utilizat
• Măsurarea rapidă și precisă a curentului fără componente externe
• Opțiuni pentru deconectare bidirecțională ca și în cazul siguranțelor fuzibile
Autori:
Ralf Hickl,
Product Sales Manager Automotive Business Unit
Uwe Rahn,
Director Automotive Business Unit
Rutronik | www.rutronik.com
