Isolation

Wie man die Leistungsfähigkeit von Motorsteuerungen steigern kann

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Magnetische (Transformator-basierte) Isolatoren werden seit über einem Jahrzehnt in High-Volume-Anwendung verwendet und sind eine Alternative zu Optokopplern. Sie basieren auf Standard-CMOS-Technologie und nutzen magnetische Übertragungskonzepte mit aus Polyimid oder Siliziumdioxid bestehenden Isolationslagen (Bild 2).

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Ein geringer Strom fließt durch eine Spule und erzeugt ein Magnetfeld, das die Isolationsstrecke durchdringt und in einer zweiten Spule auf der anderen Seite der Isolationsstrecke einen Strom erzeugt. Da hier Standard-CMOS-Strukturen verwendet werden, bieten sie Vorteile hinsichtlich Leistung und Geschwindigkeit. Ferner werden die durch die Alterung bei Optokopplern bedingten Probleme eliminiert. Aufgrund der geringeren parasitären Kapazitäten von Transformator-basierten Isolatoren bieten sie eine höhere CMTI als Optokoppler-basierte Isolatoren.

Magnetische Isolatoren erlauben auch den Einsatz gebräuchlicher Verarbeitungsblöcke, die die Übertragung eingangsseitiger Störsignale verhindern. Auch lassen sich bei der Übertragung moderne Techniken zur Verschlüsselung/Entschlüsselung einsetzen. Dies erlaubt bidirektionale Datentransfers, den Einsatz unterschiedlicher Verschlüsselungskonzepte zur Optimierung von „Power vs. Transferraten" und, wie im folgenden Teil dieses Beitrags erläutert, schnellere und konsistenteren Übertragungen wichtiger Signale über die Isolationsstrecke.

Verzögerungseigenschaften von Optokopplern und magnetischen Isolatoren im Vergleich

Eine wichtige, jedoch oft unterschätzte, Eigenschaft aller Isolatoren ist ihre Signallaufzeitverzögerung. Diese beschreibt, wie lange ein Signal braucht, um durch die Isolationsstrecke zu gelangen (in jeder Richtung, da es sich um ein Treiber- oder um ein Fehlererkennungssignal handeln kann). Die Signallaufzeitverzögerung variiert je nach Technologie erheblich. Während typische Verzögerungszeiten oft angegeben werden, spielt für Systementwickler die maximale Laufzeitverzögerung eine wichtige Rolle. Dies ist die wichtigste Spezifikation bei der Entwicklung von Motorsteuerungssystemen. Tabelle 1 enthält Beispiele für die Laufzeitverzögerung und Werte für den Zeitversatz (Skew) für Optokoppler und magnetisch basierte isolierte Gate-Treiber.

Wie Tabelle 1 zeigt ist die magnetische Isolation hinsichtlich maximaler Verzögerung und Verzögerung besser. Dies reduziert die Notwendigkeit Timing-Vorgaben mit Reserven (Margin) zu beaufschlagen, um Gate-Treiber-Eigenschaften zu berücksichtigen. Dies hat Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit in Motorsteuerungssystemen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 13/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Systemauswirkungen für Motorsteuerungssysteme

Bild 3 zeigt einen typischen Dreiphasen-Inverter, wie er in AC-Motorsteuerungsanwendungen eigesetzt wird. Der Inverter wird über einen DC-Bus versorgt. Die Versorgungsspannung wird normalerweise über einen Brückengleichrichter und kapazitive oder induktiv/kapazitive Filter direkt aus der Netzspannung erzeugt. In den meisten Industrieanwendungen liegt die DC-Bus-Spannung zwischen 300 und 1000 V. Eine variable Drei-Phasen-Spannung mit variabler Frequenz liegt an den Motoranschlüssen an. Dazu werden die Leistungstransistoren T1 bis T6 nach dem PWM-Konzept (Pulsbreitenmodulation) bei einer Frequenz von 5 bis 10 kHz geschaltet.

Die PWM-Signale (PWMaH, PWMaL usw.) werden im Motor-Controller erzeugt, normalerweise in einem Prozessor und/oder FPGA implementiert. Bei diesen Signalen handelt es sich im Allgemeinen um Signale mit geringem Spannungspotenzial bezogen auf die Prozessormasse. Um die Leistungstransistoren richtig ein- und auszuschalten müssen die Logiksignale der entsprechenden Spannungen und Ströme verstärkt werden. Außerdem müssen ihre Pegel angepasst werden, damit sie auf den relevanten Leistungstransistor-Emitter referenziert sind. Je nachdem, wo sich der Prozessor im System befindet, kann auch eine Safety-Level-Isolation erforderlich sein.

Diese Funktionen werden von den Gate-Treibern ausgeführt (GDRVaL/GDRVaH usw. in Bild 3). Jeder Gate-Treiber-IC benötigt eine primärseitige Versorgungsspannung, bezogen auf das Prozessormassepotenzial, und eine sekundärseitige Versorgung, bezogen auf den Transistor-Emitter. Die sekundärseitige Versorgung muss eine Spannung aufweisen, der die Leistungstransistoren einschalten kann (typischerweise 15 V) sowie einen ausreichend hohen Strom zum Laden und Entladen der Transistor-Gates.

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