I sistemi di monitoraggio dell’isolamento nei dispositivi funzionanti ad alta tensione (HV) realizzati con relè allo stato solido sono l’oggetto di questo articolo tecnico.
Nei veicoli elettrici, nei pannelli solari e nei sistemi di accumulo dell’energia, l’alta tensione (HV) consente tempi di ricarica più rapidi, riduce al minimo le perdite di potenza e migliora l’affidabilità della progettazione. Tuttavia, le correnti nel caso di sistemi ad alta tensione possono essere potenzialmente pericolose o addirittura mortali.
Per questo motivo i progettisti utilizzano sistemi di monitoraggio dell’isolamento per inviare un allarme o scollegare l’alimentazione per evitare danni all’applicazione o agli utenti.
Il rilevamento rapido e accurato dei guasti nell’isolamento è fondamentale per massimizzare la sicurezza dell’utente e ridurre al minimo i danni o gli incendi derivanti da una catastrofica perdita di potenza.
Le applicazioni comuni con il monitoraggio dell’isolamento includono sistemi di gestione delle batterie, sistemi di accumulo di energia, inverter di stringa, caricabatterie rapidi DC, caricabatterie DC a parete, pannelli solari, motori e aerei. Tuttavia, i requisiti di precisione e resistenza ai test di tensione possono rendere difficile la progettazione del monitoraggio dell’isolamento.
Texas Instruments dispone sia di progetti di riferimento che di dispositivi che semplificano la progettazione.
Affrontare le sfide progettuali del monitoraggio dell’isolamento
Il monitoraggio dell’isolamento, noto anche come controllo dell’isolamento, monitoraggio dell’isolamento o rilevamento dei guasti a terra, monitora la quantità di isolamento tra i terminali ad alta tensione e la terra di protezione/terra del telaio. La Figura 1 illustra una configurazione per il monitoraggio dell’isolamento. Il funzionamento di base di un circuito di monitoraggio dell’isolamento prevede l’inserimento di resistenze note (RDIV1/2, RDIV3/4) e la risoluzione di un sistema di equazioni per trovare le resistenze di isolamento sconosciute (RISOP, RISON).
Figura 1: configurazione del monitoraggio dell’isolamento.
Affrontare i severi requisiti di sicurezza
Gli standard di sicurezza richiedono che i produttori valutino l’efficacia dell’isolamento di sicurezza di un determinato dispositivo elettrico o elettronico eseguendo un “dielectric voltage withstand test”, ovvero un test di tenuta in alta tensione. Il test di tenuta alla tensione dielettrica applica tensioni elevate attraverso la barriera isolante per un minuto. Anche un successivo test di isolamento in grado di misurare la soglia dei requisiti del produttore è considerato valido.
Secondo la norma IEC 60950 della Commissione Elettrotecnica Internazionale, il test di tensione di tenuta per l’isolamento di base è 2U + 1.000 VRMS, dove U è la tensione operativa massima di un sistema. Un produttore potrebbe dover applicare un test di tensione di tenuta a 4.242 VDC durante la progettazione di un sistema a 800 V basandosi sull’equazione:
2 x 1.000 V (added battery charge margin) +1.000=3.000 VRMS=4,242 VDC
Il circuito di test
La Figura 2 illustra questo test di resistenza alla tensione, prendendo la precedente configurazione di monitoraggio dell’isolamento, rimuovendo la batteria ad alta tensione e applicando 4.242 V tra un terminale e la terra del telaio.
Figura 2: Esempio di monitoraggio dell’isolamento ad alto potenziale.
Poiché gli interruttori (SW1, SW2) sono spesso relè a stato solido o relè con MOSFET, è necessario prendere in considerazione anche i componenti per garantire la sopravvivenza dell’interruttore.
Gli interruttori sono generalmente classificati per una quantità limitata di corrente valanga (Iava) in un arco di tempo, quindi, ad esempio, durante la selezione dei componenti potrebbe essere necessario scegliere resistori in serie che possano limitare adeguatamente la corrente valanga o aggiungere un costoso relè reed a terra per impedire del tutto il flusso della corrente valanga. Sfortunatamente, avere una resistenza in serie può avere un impatto negativo sulla precisione della misurazione, quindi selezionare resistori con resistenze di valore simile alla resistenza di isolamento massimizzerà la precisione.
I vantaggi dei relè a stato solido
È possibile utilizzare fotorelè, ma rispetto ai relè a stato solido presentano degli svantaggi in termini di corrente valanga, velocità, affidabilità e dimensioni della soluzione. Il TPSI2140-Q1 supporta fino a 2 mA di corrente valanga, rispetto a 0,6 mA in un fotorelè generico. Un fotorelè generico è inoltre generalmente limitato nella velocità di commutazione dai requisiti del LED e della polarizzazione diretta. Inoltre, i fotorelè subiscono un degrado nel tempo e nelle dimensioni, richiedendo componenti aggiuntivi per creare circuiti di azionamento.
La Figura 3 mostra lo schema a blocchi funzionale del TPSI2140-Q1:
Figura 3: Diagramma funzionale a blocchi del TPSI2140-Q1.
A seconda dei requisiti di sistema aggiuntivi, è possibile utilizzare una configurazione con una scatola di giunzione intelligente della batteria come il monitor del pacco batteria BQ79731-Q1 per misurare tensione, temperatura e corrente.
I progetti di riferimento
L’AFE per il monitoraggio dell’isolamento nel progetto di riferimento per la ricarica di veicoli elettrici ad alta tensione ed energia solare e il progetto di riferimento per le misurazioni dell’alta tensione e delle perdite di isolamento nel settore automobilistico utilizzano entrambi il relè a stato solido TPSI2140-Q1 per la commutazione di resistenze note.
I progettisti a volte optano per l’acquisto di moduli di monitoraggio dell’isolamento per evitare le sfide legate alle considerazioni sulla progettazione dei test di tensione e di resistenza. Entrambi i progetti di riferimento utilizzano topologie diverse per gestire il monitoraggio dell’isolamento, offrendo una buona precisione per il rilevamento dei guasti, supporto per gli standard di sicurezza, scalabilità e altro ancora.
Il progetto di riferimento AFE è in grado di monitorare in modo accurato e affidabile la resistenza di isolamento, mantiene l’isolamento durante le misurazioni della resistenza di isolamento e supporta IEC 61557-8 e IEC 61851-23.
La Figura 4 illustra il diagramma a blocchi del progetto di riferimento AFE.
Figura 4: diagramma a blocchi del progetto di riferimento AFE.
La Figura 5 illustra il diagramma a blocchi del progetto di riferimento per le misurazioni delle perdite.
Figura 5: Diagramma a blocchi del progetto di riferimento per le misurazioni delle perdite.
Conclusione
Il passaggio a tensioni più elevate per ridurre al minimo i tempi di ricarica – come i veicoli elettrici che passano da 400 V a 800 V e l’energia solare che si sposta verso sistemi a tensione più elevata – aumenta la necessità di metodi affidabili di monitoraggio della sicurezza e dell’isolamento. Il monitoraggio dell’isolamento rileva la resistenza di isolamento monitorando la corrente di dispersione dai terminali ad alta tensione alla terra di protezione/terra del telaio. Poiché le correnti superiori a 10 mA possono essere fatali, i sistemi di monitoraggio dell’isolamento devono fornire avvisi quando vengono rilevati guasti nell’isolamento.
I relè a stato solido di Texas Instruments forniscono la massima temperatura operativa e la massima rigidità dielettrica alle velocità più elevate pur essendo convenienti. Forniscono inoltre una commutazione affidabile contenuta in un piccolo contenitore.
- Per approfondire questo tema, Texas Instruments mette a disposizioni ulteriori risorse:
Video di formazione TI Precision Labs della serie “Introduction to isolation” - Articolo tecnico dal titolo: “How to achieve higher-reliability isolation and a smaller solution size with solid-state relays”
- Caratteristiche del portafoglio di relè a stato solido di TI.
Tilden Chen è Applications Engineer presso Texas Instruments.
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