Mosfetrelais kennen we al tientallen jaren. Vanuit de historie is test- en meetapparatuur altijd een belangrijke doelmarkt geweest, maar andere toepassingsgebieden zijn in opkomst. Een daarvan is de elektrische auto. Ivo van Erp van Panasonic Electric Works geeft tekst en uitleg.
In de wereld van test- en meetapparatuur zien we een trend naar een groter aantal meetkanalen in een zo klein mogelijke (liefst draagbare) behuizing met een gemakkelijke bediening. Zo worden trillingstests op voertuigen uitgevoerd met behulp van xyz-sensoren, die voor iedere richting een ingang op het meetinstrument nodig hebben. Mosfetrelais worden toegepast om deze ingangen te schakelen, maar bijvoorbeeld ook om terugkoppelingsweerstanden in versterkercircuits aan of uit te zetten.
Om de test- en meetapparatuur zo compact mogelijk te maken met zo veel mogelijk ingangskanalen is het van groot belang om de interne componenten te miniaturiseren. Op het gebied van mosfetrelais is er dan ook een ontwikkeling naar steeds kleinere behuizingen (Figuur 1). Met een benodigd pcb-oppervlak van 2,2 bij 2,1 millimeter inclusief aansluitterminals is de VSSOP-uitvoering van Panasonic de kleinste ter wereld. Ondanks zijn geringe afmetingen kan een dergelijk relais belastingen schakelen tot achthonderd milliampère of honderd volt.
Daarnaast vereist test- en meetapparatuur dat de doorgangsweerstand en uitgangscapaciteit zo laag mogelijk zijn. Fysisch zijn deze eigenschappen aan elkaar gekoppeld. Een lage doorgangsweerstand betekent een hoge uitgangscapaciteit en omgekeerd. De doorontwikkeling van mosfets heeft ervoor gezorgd dat het product van deze parameters steeds lager wordt. Op dit moment zijn standaard waardes mogelijk van 0,8 ohm doorgangsweerstand en 0,5 picofarad uitgangscapaciteit.
Grote verscheidenheid
De ingang van een mosfetrelais bestaat uit een led aangestuurd met een stroom van enkele milliampères. Dit lampje genereert infrarood licht, dat door een semitransparant medium schijnt. Aan de andere kant wordt het opgevangen door een optisch gekoppelde reeks zonnecellen, die het omzetten in een elektrische spanning waarmee de uitgangsmosfets worden aangestuurd en in geleiding raken (Figuur 2). Deze twee antiserieel geschakelde, bidirectionele mosfets maken het relais geschikt voor zowel gelijkstroom- als wisselstroombelastingen (dc en ac).
Test less, verify Moore
At the Bits&Chips Event 2023 on 12 October 2023, Phillipa Hopcroft from Crocotec and Ivo ter Horst from ASML will kick off with a keynote speech on transforming how lithography machine software is built. Make sure to keep an eye on the website for program updates and save the date!
Mosfetrelais bieden een aantal voordelen ten opzichte van alternatieve technologieën. Zo is er een galvanische scheiding tussen in- en uitgang, die kan oplopen tot vijfduizend volt. Optokoppelaars kennen deze scheiding niet. Ook kunnen mosfets signalen tot in het millivoltbereik zonder problemen doorlaten. Bij optokoppelaars zorgt een drempelspanning ervoor dat deze kleine signalen er niet door komen.
Er is een grote verscheidenheid aan mosfets, uiteenlopend van twintig tot vijftienhonderd volt. Daarnaast zijn er meerdere soorten omzettingscircuits. Door deze twee bouwblokken te variëren, ontstaat een groot portfolio relais.
Behalve een heleboel standaard catalogustypes zijn er ook klantspecifieke oplossingen mogelijk. Samen met de engineer die de component gaat gebruiken, stellen we eerst vast aan welke eisen het mosfetrelais moet voldoen. Hierbij nemen we niet alleen de elektrische parameters mee maar ook de omgevingsfactoren, waarbij temperatuur een heel belangrijke is. Vervolgens gaan we na of we een product kunnen leveren conform de gestelde eisen. Een extra screening in de eindtest van de productielijn kan dan nodig zijn, of zelfs een compleet nieuw ontwerp van de mosfet of het omzettingscircuit. In de praktijk zien we dat klantspecifieke aanpassingen vaak betrekking hebben op timing (in- of uitschakeltijd) en lekstroom (kleiner dan gegarandeerd in de datasheet).
Laadstroom controleren
Door hun gunstige eigenschappen vinden we mosfetrelais ook steeds meer buiten de test- en meetapparatuur. Sterk in opkomst is de toepassing in volledig elektrische of hybride voertuigen voorzien van een accu, met een bijbehorend battery management system. Zo’n BMS is een elektronisch systeem dat de batterijen beheert en ervoor zorgt dat deze optimaal opereren onder de gespecificeerde condities.
Bij (gedeeltelijk) elektrische voertuigen treden hoge dc-spanningen van meerdere honderden tot duizend volt op. Die vormen een groot risico voor de inzittenden. Een galvanische afscherming tussen hoogspanningssysteem en passagiersruimte is dan letterlijk van levensbelang; beide polen van de accu moeten te allen tijde volledig gescheiden zijn van de carrosserie. Als de lekstroom desondanks te groot wordt, zorgt een meervoudig redundant uitgevoerde isolatiebewaking voor het onderbreken van de spanningstoevoer. Hiervoor gebruikt het systeem een mosfetrelais als snelle schakelaar.
Dit stelt hoge eisen aan zo’n relais. Enerzijds moet het zorgen voor een bedrijfszekere scheiding tussen het laag- en hoogspanningscircuit (respectievelijk zijn in- en uitgang). Anderzijds moet de mosfet een stabiele barrière vormen voor de hoge dc-spanning. Moderne mosfetrelais kunnen beide probleemloos. Belangrijk is wel om de diëlektrische sterkte ook te kunnen waarborgen op de printplaat. Bij Panasonic bieden we mosfetrelais voor isolatiemeting in automotivetoepassingen daarom altijd aan in Dip5-behuizing. Bij deze verpakking is de afstand tussen de uitgangspinnen 4 en 6 extra groot, minimaal vijf millimeter (Figuur 3).
Een andere toepassing van mosfetrelais in elektrische voertuigen is bij de zogeheten cell balancing. De lithiumioncellen die veelal in moderne accupakketten zitten, zijn gevoelig voor overladen en te ver ontladen. Tijdens het laadproces monitort het BMS ze daarom vaak individueel en stuurt het ze doelgericht aan op basis van een toestandsanalyse. Dit waarborgt de prestaties van de cellen en voorkomt overladen, wat de levensduur ten goede komt. Om de laadstroom te controleren, schakelt het systeem parallelweerstanden bij of af. Ook dat doet het met mosfetrelais. Dit zijn meestal meerkanaalsuitvoeringen met een zo laag mogelijke doorgangsweerstand, geschikt om te schakelen tot 60 V dc.
Uitvoerig getest
De strenge automotive-eisen gelden uiteraard net zo hard voor de losse componenten. Zeker als het gaat om veiligheidskritieke toepassingen zoals de isolatiebewaking. De relaiskeuze gaat dan ook telkens in nauw overleg met de fabrikant, waarbij we vele parameters in ogenschouw nemen. Dit gaat veel verder dan de informatie die staat vermeld in de standaard datasheet. Om die reden zijn veel automotive-mosfetrelais klantspecifieke uitvoeringen die zeer uitvoerig zijn getest.
Behalve het selectieproces is ook het fabricageproces van belang. Voor automotive gebruiken we alleen mosfetrelais van het zogeheten double moulding-type. Deze hebben een aangepaste interne opbouw om zware klimatologische omstandigheden en temperatuurschommelingen te kunnen opvangen. Daarnaast hebben we voor de productielijn speciale testcycli en een honderd procent eindtest ingericht.