Isolation

Wie man die Leistungsfähigkeit von Motorsteuerungen steigern kann

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Inverter-Totzeit in den PWM-Signalverläufen

Leistungstransistoren haben eine endliche Schaltzeit. Somit muss zwischen den High- und Low-Side-Transistoren eine „Blanking“ oder „Dead Time“ (Totzeit) in die PWM-Signalverläufe eingefügt werden.

Dies verhindert, dass beide versehentlich gleichzeitig eingeschaltet werden und so den Hochvolt-DC-Bus mit dem Risiko eines Systemausfalls oder einer Beschädigung kurzschließen. Die Dauer der Totzeit ergibt sich aus zwei Faktoren – Transistor-Schaltzeit und Fehlanpassung der Gate-Treiber Verzögerungszeit (Propagation Delay Mismatch) einschließlich Drift in der Fehlanpassung. Mit anderen Worten, die Totzeit muss alle Differenzen in der Verzögerungszeit der PWM-Signale vom Prozessor zum Transistor-Gate zwischen High- und Low-Side Gate-Treibern berücksichtigen. Die Totzeit verzerrt die durchschnittliche am Motor angelegte Spannung, speziell bei niedrigen Drehzahlen. Die jeweilige Totzeit fügt eine Fehlerspannung in annähernd konstanter Höhe ein [2]. Dies entspricht Gleichung 1.

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Gleichung 1
Gleichung 1

Darin sind Uerror die Fehlerspannung, tdead die Totzeit, ton und toff die Transistor Ein- und Ausschalt-Verzögerungszeiten und TS die PWM-Schaltperiode; Udc ist die DC-Bus-Spannung, Usat der Spannungsabfall im Durchlasszustand (On-State) des Leistungstransistors und Ud die Durchlassspannung der Diode.

Die Fehlerspannung ändert ihre Polarität sobald der Strom in einer Phase die Richtung ändert. Somit entstehen Sprünge auf den Spannungen jeweils am Stromnulldurchgang. Dies erzeugt eine Harmonische der sinusförmigen Grundspannung, was wiederum harmonische Ströme im Motor verursacht. Dies ist ein spezielles Problem bei größeren Low-Impedanz-Motoren, die in Open-Loop-Antrieben zum Einsatz kommen, bei denen harmonische Ströme beachtlich hoch sein können. Dies führt zu Vibration bei niedriger Drehzahl (Low Speed Vibration), Drehmoment-Welligkeit (Torque Ripple) und Erwärmung(Harmonic Heating).

Der Einfluss der Totzeit auf die Verzerrung der Motorausgangsspannung ist in den folgenden Situationen am schlimmsten:

  • Hohe DC-Bus-Spannung.
  • Lange Totzeit.
  • Hohe Schaltfrequenz.
  • Low-Speed-Betrieb, speziell in Open-Loop-Antrieben ohne Kompensation durch einen Steueralgorithmus.

Der Low-Speed-Betrieb ist wichtig, da die angelegten Motorspannungen in dieser Betriebsart stets sehr niedrig sind. Die aus der Totzeit resultierende Fehlerspannung kann einen signifikanten Bruchteil der angelegten Motorspannung ausmachen. Bei niedrigen Drehzahlen kommt hinzu, dass jede induzierte Drehmoment-Welligkeit einen nachteiligeren Einfluss hat, da der Filtereffekt der Systemträgheit bei höheren Drehzahlen nicht verfügbar ist.

Von allen diesen Parametern ist die Länge der Totzeit der einzige, der durch die isolierte Gate-Treiber-Technologie beeinträchtigt werden kann. Ein Teil der Totzeit wird durch die Schaltverzögerungszeiten der Leistungstransistoren bestimmt. Der restliche Teil ist eine Funktion der Fehlanpassung der Verzögerung. Diesbezüglich sind optische Isolatoren nachteiliger als die magnetische Isolationstechnologie.

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