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Isolationsverstärker schützen vor Überstrom und Überspannung

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So funktioniert die Überstrom-Erkennung

Abhängig von Schutzanforderungen können Überströme durch die Kombination von verschiedenen Erfassungspunkten erkannt werden, wie den IGBT-Emittern, den drei Ausgangsphasen, den Gleichstrom-Bussen HV+ und HV-. Normalerweise werden Stromsensor-Schaltungen an den Ausgangsphasen und Gleichstrom-Bussen benötigt, um die Fehlererkennung zusätzlich zur Strommessung zu ermöglichen.

Für die richtige Entscheidung bleiben nur Mikrosekunden

Üblicherweise betragen die Überlebenszeiten bei IGBT-Kurzschlüssen bis zu 10 µs. Für einen effektiven Schutz darf dieser Wert nicht überschritten werden. Innerhalb dieses Limits muss der Fehler erkannt, an den Controller gemeldet und die Abschaltprozedur innerhalb dieser Zeit beendet sein. Ebenfalls wichtig ist die Vermeidung von so genanntem zu frühem Ansprechen. Zu frühes Ansprechen ist das falsche Triggern der Fehler-erkennung, wenn offensichtlich keine Fehlerbedingung auftritt, die die IGBTs zerstören könnte. Um falsches Triggern zu verhindern, kann ein Impulsunterscheider (Diskriminator) eingesetzt werden, um den Einfluss der di/dt- und dv/dt-Störimpulse auszublenden.

Ein wirksames Verfahren der Fehlererkennung

Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Störungsunterdrückung unabhängig von der Amplitude ist. Das bedeutet, der Fehler-Schwellenwert kann auf ein sehr viel niedriges Niveau gesetzt werden, ohne dass dadurch das Risiko eines verfrühten Ansprechens erhöht wird. Diese Methode wurde in der integrierten Fehlererkennungsschaltung des HCPL-788J/ACPL-785J eingesetzt.

Der HCPL-788J hat eine Gain-Genauigkeit von ±3%, während der ACPL-785J eine Gain-Toleranz von ±5% besitzt. Beide Typen haben den gleichen IC und die Gehäuse- plattform SO-16.

Im Fault-Detect-Block werden zwei Komparatoren eingesetzt, die negative und positive Fehler-Schwellenwerte erkennen, die Schaltansprechschwelle ist gleich der Sigma-Delta-Modulator-Referenz von 256 mV. Die Ausgänge dieser Komparatoren sind mit Austestfiltern mit einer Testperiode von 2 µs verbunden und werden dann zum Encoder-Block geschickt.

Um sicherzustellen das der Fehlerstatus so schnell wie möglich durch die Isolationsgrenze übertragen wird, werden zwei digitale Code-Sequenzen eingesetzt, die den Fehlerstatus repräsentieren: ein Code für den negativen, der andere für den positiven Level. Im Falle einer Fehlererkennung wird die normale Datenübertragung über den optischen Kanal unterbrochen und der Datenstrom durch den Fehlercode ersetzt. Diese beiden Fehlercodes unterscheiden sich signifikant vom normalen Code-Schema – deswegen erkennt der Decoder auf der Detektorseite dieses sofort als Fehlerstatus.

Die Zeit, die vom Dekoder benötigt wird um einen Fehlerzustand zu erkennen und über die Isolationsgrenze zu übertragen beträgt zirka 1 µs. Die Verzögerungszeit zwischen Fehlerauftritt und Ausgangsfehlersignal ist die Summe von Laufzeitverzögerung und Austestzeit, die insgesamt eine typische Fehlererkennungszeit von 3,4 µs ergibt. Der Fehler-Ausgangsanschluss ermöglicht den gemeinsamen Anschluss vieler Bauteile, die (miteinander verbunden) ein einzelnes Fehlersignal senden. Dieses Signal kann dann direkt genutzt werden, um die PWM-Eingänge durch den Controller abzuschalten.

So funktioniert die Überlast-Erkennung

Eine Überlast-Situation bezieht sich auf den Augenblick, in dem die Motor- ströme die definierten Ströme des Antriebs übersteigen. Die Motorströme sind aber nicht so hoch, dass Wandler oder Motor direkt der Gefahr eines sofortigen Ausfalls ausgesetzt sind (beispielsweise wenn der Motor mechanisch durch Lagerschäden überlastet ist).

Das plötzliche Abschalten des Motors könnte mit unerwünschten Konsequenzen auf Systemebene enden. Aus diesen Gründen werden Wandler üblicherweise mit einem Überlast-Betriebswert zusätzlich zum nominalen Betriebswert spezifiziert. Die Zeitdauer des zulässigen Überlast- Wertes ist abhängig vom Zeitintervall, in dem das Problem der Überhitzung eine Rolle spielt. Eine typische Überlastleistung beträgt 150% der Nennleistung für eine Dauer von maximal einer Minute.

Der Baustein HCPL-788J/ACPL-785J hat ein zusätzliches Feature – den ABSVAL-Ausgang, der genutzt werden kann, um die Schaltungsanforderung für die Erkennung von Überlast-Situationen zu vereinfachen. Der ABSVAL-Schaltkreis korrigiert das Ausgangssignal, indem er ein Ausgangssignal liefert, das proportional zum absoluten Niveau des Eingangssignals ist.

Schaden am Motor und Treiber werden sicher verhindert

Dieses Signal lässt sich auch über Kabel weiterleiten. Werden drei sinusförmige Motorphasen kombiniert, liefert der korrigierte Ausgang (ABSVAL) ein Gleichstromsignal, das den Drehstrom-Motorenstrom repräsentiert. Dieses Gleichstromsignal und ein Schwellenwert-Komparator zeigen eine Motorenüberlastung an, ehe es zu Schäden an Motoren oder Treibern kommen kann.

Und so funktioniert die Überspannungserkennung

Die Spannung des Gleichstrom-Busses muss kontinuierlich kontrolliert werden. Unter bestimmten Umständen kann nämlich der Motor wie ein Generator arbeiten; er liefert dann eine hohe Spannung durch die Leistungsgruppe des Wandlers und/oder die Freilaufdiode zurück in den DC-Bus. Diese hohe Spannung addiert sich zur DC-Bus-Spannung und bildet einen sehr hohen Spannungsanstieg. Dieser Spannungsanstieg könnte die maximale Sperrschaltung VCES, VRRM usw. der Bauteile übertreffen und diese oder andere Bausteine des Wandlers zerstören. VCES ist die maximale Kollektor-Emitter Spannung des IGBT mit kurzgeschlossenem Gate. VRRM ist die sich wiederholende maximale Sperrspannung einer Diode.

Der Miniatur-Isolationsverstärker mit der Typenbezeichnung ACPL-C78A wird oftmals als Spannungssensor in der DC-Bus-Überwachung eingesetzt. Hierbei muss ein Entwickler die DC-Bus-Spannung soweit verkleinern, dass sie dem Eingangsspannungsbereich des Isolationsverstärkers entspricht. Das geschieht durch die entsprechende Wahl der Widerstandswerte von R1 und R2.

Das gestreckte SO-8-Gehäuse des ACPL-C78A bietet eine Gain-Genauigkeit von 1% und hat außerdem mit 0,004% eine besonders niedrige Nichtlinearität. Die Bandbreite beträgt 100 kHz. //KU

* * Chun Keong Tee ...ist Product Manager in der Isolation Products Division bei Avago Technologies, Singapur.

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