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Motor Control und die Isolationsbarriere Herausforderungen an Gate-Treiber und Stromsensorik

| Autor / Redakteur: Stefan Hacker * / Gerd Kucera

Nicht ideale Gegebenheiten in der Stromschleife haben unerwünschte Auswirkungen auf die Motorsteuerung. Der Beitrag zeigt eine Lösung zur Gate-Ansteuerung mit Isolation und Pegelanpassung.

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Motor Control und die Isolationsbarriere: Herausforderungen an Gate-Treiber und Stromsensorik (der Artikel wurde im März 2016 als tiefgehendes Technologie-Referat auf dem Praxisforum Elektrische Antriebstechnik in Würzburg gehalten).
Motor Control und die Isolationsbarriere: Herausforderungen an Gate-Treiber und Stromsensorik (der Artikel wurde im März 2016 als tiefgehendes Technologie-Referat auf dem Praxisforum Elektrische Antriebstechnik in Würzburg gehalten).
(Bild: Siemens)

In modernen Motor-Control-Systemen wachsen die Anforderungen an die Elektronik stetig: steigende Betriebsspannungen am Zwischenkreis des Inverters erfordern neue Komponenten mit höherer Isolationsfestigkeit zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter und zur Messung des Stroms in den Phasen des Motors.

Technisch bedingte Totzeiten bei der Ansteuerung der Leistungsstufe verschlechtern dabei die sinusförmige Rekonstruktion der Phasenspannungen aus dem Zwischenkreis und müssen zur Effizienzsteigerung minimiert werden. Parasitäre und interne Kapazitäten des Steuereingangs des Treibers, verbunden mit hohen Schaltgeschwindigkeiten, benötigen zusätzliche Schutzmaßnahmen am Treiber, um einen Durchbruch und die Zerstörung der Halbbrücke zu verhindern.

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Zusätzlich ist in vielen Anwendungen der Strom mit hoher Genauigkeit und Dynamik zu erfassen, damit die Welligkeit des Drehmoments im elektrischen Antrieb minimiert wird.

Ein Motor-Control-System besteht aus einer Netzspeisung, die gleichgerichtet wird und einen Zwischenkreis speist. Geschicktes Ansteuern der Leistungshalbleiter macht aus der Spannung im Zwischenkreis wieder ein amplituden- und frequenzveränderliches Signal am Motor. Dies geschieht in einem Regelkreis, der als Messgröße den Strom erfordert.

Ein solches System kann verschiedene Isolationsarchitekturen aufweisen, Bild 1 liefert die drei möglichen Ansätze a, b und c (vlnr). Zur Sicherheit des Benutzers und weiterer Komponenten des Systems, muss die Kommunikation mit der Motor-Control-Plattform immer isoliert sein.

Hohe Spannungen am Zwischenkreis bedingen weitere Isolationslagen zur sicheren Überbrückung der Isolationsbarriere. Bild 1b zeigt dabei nur eine Lage, wie sie heute in vielen Systemen angetroffen wird, während Bild 1c die Aufteilung der Barriere in zwei Lagen verdeutlicht: der Zwischenkreis und der eingesetzte Controller sind funktional isoliert, eine zweite Lage schützt nochmals die Kommunikationsschnittstelle und damit den Benutzer.

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