Integriertes Multichip-Mikrosystem für isolierte Strommessung

Abstract:
Für viele Applikationen, z. B. Motordrives, Solarinverter, Stromversorgungen, wird eine isolierte Strommessung benötigt. Dafür sind verschiedene Verfahren geeignet, z. B. Halleffekt-Sensoren, Magnetfeld-Fluxgates. Diese haben eine inherente Isolierung. Strommessung mit Shunt ist deutlich kostengünstiger, erfordert aber einen höheren Aufwand für die galvanische Trennung Meßstrecke-Sensorausgang. Es wird ein neuentwickeltes Mikrosystem auf Basis von zwei Siliziumchips in einem Gehäuse vorgestellt, welches die Isolierung des Shunt-Meßsignals bis zu einer Betriebsspannung von 1200 V ermöglicht. Auf dem ersten Chip wird das analoge Eingangssignal mit Hilfe eines Δ-Σ-Modulators in einen digitalen Bitstrom konvertiert. Das digitale Signal wird differentiell über zwei hochspannungsfeste integrierte Kondensatoren von ~160fF auf den zweiten Chip übertragen. Dort wird der digitale Bitstrom reproduziert und als Digital-Signal ausgegeben. Der Bitstrom kann von einem FPGA, ASIC und/oder einem DSP verarbeitet werden. In einer anderen Variante wird auf dem zweiten Chip mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzers der Bitstrom wieder in ein analoges Signal konvertiert. Die Koppelkondensatoren für die galvanisch getrennte Übertragung sind direkt auf dem Chip integriert und haben ein Dielektrikum aus 16 µm SiO2. Die Prüfspannung beträgt 4000 V.