Isolation

Wie man die Leistungsfähigkeit von Motorsteuerungen steigern kann

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Anwendungsbeispiel Dreiphasen-Inverter Motorantrieb

Um den Einfluss der Totzeit auf die Motorstromverzerrung zu verdeutlichen sind Ergebnisse eines auf einem Dreiphasen-Inverter basierten Open-Loop-Motorantriebs illustriert. Magnetische Isolatoren von Analog Devices (ADuM4223) werden für die Inverter Gate-Treiber verwendet. Sie treiben direkt 1200-V-IGBTs (IRG7PH46UDPBF) von IR. Die DC-Bus-Spannung beträgt 700 V. Der Inverter treibt einen Drehstrom-Induktionsmotor in Open-Loop U/f-Steuerungsbetriebsart. Die verkettete (Line-to-Line) Spannung und die Phasenströme werden mit resistiven Teilern bzw. Shunt-Widerständen in Verbindung mit isolierten Sigma/Delta-Modulatoren, auch von Analog Devices (AD7403), gemessen. Der Single-Bit-Datenstrom jedes Modulators wird in die SINC-Filter des Steuerprozessors (ADSP-CM408 von Analog Devices) eingespeist. Dort werden die Daten gefiltert und dezimiert, um eine genaue Darstellung der Spannungs- und Stromsignale zu erhalten.

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Die gemessene Line-to-Line Spannung des SINC-Digitalfilter-Ausgangs zeigt Bild 5. Die tatsächliche Line-to-Line-Spannung ist ein hochfrequenter Schaltsignalverlauf mit 10 kHz. Sie wird jedoch vom Digitalfilter entfernt. So sind die relevanten niederfrequenten Anteile sichtbar. Den daraus entstehenden Motorphasenstrom zeigt Bild 6.

Beim Einsatz der Gate-Treiber ADuM4223 beträgt die Fehlanpassung der Verzögerungszeit (Propagation Delay Mismatch) 12 ns. Somit kann die absolute minimale Totzeit, die zum Schalten der IGBTs erforderlich ist, verwendet werden. Im Falle der IGBTs von IR kann die minimale Totzeit auf 500 ns eingestellt werden. Aus Bild 6 (links) ist ersichtlich, dass die Spannungsverzerrung in diesem Fall minimal ist.

Der Phasenstrom verläuft sehr sinusförmig, wodurch nur eine minimale Drehmoment-Welligkeit resultiert. Die Plots auf der rechten Seite zeigen die Line-to-Line-Spannung und den Phasenstrom mit einer auf 1 ?s erhöhten Totzeit. Dieser Wert zeigt eher, was für optisch gekoppelte Gate-Treiber aufgrund ihrer größeren Diskrepanz bei der Verzögerungszeit und Drift erforderlich wäre. Die Zunahme der Verzerrung bei der Spannung und somit auch dem Strom ist offensichtlich.

Bei dem in diesem Fall verwendeten Induktionsmotor handelt es sich um eine relativ kleine Maschine mit hoher Impedanz. In Endanwendungen mit höherer Leistung ist die Impedanz des Induktionsmotors normalerweise wesentlich niedriger. Dies führt zu einer höheren Verzerrung von Motorstrom und Drehmoment-Welligkeit. Die Drehmoment-Welligkeit hat in vielen Anwendungen einen nachteiligen Effekt – zum Beispiel reduzierter Fahrkomfort in Fahrstühlen oder Abnutzung von Lagern und Kupplungen in mechanischen Systemen.

Abschalten bei Überstrom

Eine weitere wichtige Problematik bei modernen Gate-Treibern ist die Geschwindigkeit, bei der ein Abschaltbefehl vom Prozessor für den IGBT implementiert werden kann. Dies ist im Zusammenhang mit dem Abschalten bei Überstrom wichtig, wo die Überstromerkennung nicht Bestandteil des Gate-Treibers selbst, sondern als Teil des Mess- und Filterschaltkreises implementiert ist. Eine weitere Erschwernis in diesem Bereich ist die reduzierte Zeit, über die IGBTs mit höherer Effizienz einen Kurzschluss aushalten können. Der Trend in der IGBT-Technologie geht in Richtung Reduzierung der industrieüblichen 10 auf 5 µs ?[3] und sogar darunter.

Aus Bild 7 ist ersichtlich, dass der Schaltkreis zur Überstromerkennung normalerweise mehrere µs benötigt, um einen Fehler zu erkennen. Angestrebt wird, diese Erkennungszeit zu verkürzen, um dem allgemeinen Trend zu entsprechen.

Das andere Hauptelement im Pfad ist die Laufzeitverzögerung vom Prozessor/FPGA-Ausgang zum IGBT-Gate – z.B. beim Gate-Treiber. Auch hier weisen magnetische Isolatoren gegenüber optischen Lösungen einen wesentlichen Vorteil auf. Und zwar insofern, dass die Laufzeitverzögerung aufgrund ihres sehr geringen Wertes, normalerweise in der Gegend von 50 ns, effektiv kein Faktor ist. Im Gegensatz dazu weisen Optokoppler Laufzeitverzögerungen im Bereich von 500 ns auf. Dies entspricht einem wesentlichen Teil des gesamten Timing-Budgets.

Das Abschalt-Timing des Gate-Treibers für die Motorsteuerungsanwendung zeigt Bild 8. Zu sehen ist der Abschaltbefehl des Prozessors, gefolgt vom Gate-Emitter-Signal des IGBT. Die gesamte Verzögerung vom Beginn des Abschaltsignals bis zu dem Punkt, an dem das IGBT-Gate-Treiber-Signal nahe Null ist, beträgt lediglich 72 ns.

Fazit: Transformatorbasierte Lösungen sind die Wahl

Da die Themen System-Leistungsfähigkeit, Effizienz und Funktionssicherheit (Safety) immer stärker in den Mittelpunkt rücken, stehen Ingenieure bei der Entwicklung robuster Motorsteuerungen zunehmend komplexeren Aufgaben gegenüber. Während Optokoppler-basierte Gate-Treiber bisher die Lösung der Wahl waren bieten Transformator-basierte Konzepte nicht nur Vorteile hinsichtlich Leistung, Geschwindigkeit und Stabilität über die Lebensdauer sondern auch, wie in diesem Beitrag erläutert, beachtliche Vorzüge hinsichtlich System-Leistungsfähigkeit und Funktionssicherheit. Diese sind auf eine verkürzte Signalverzögerung zurückzuführen.

Entwickler können somit die Totzeit verkürzen und die System-Leistungsfähigkeit erhöhen. Zugleich lässt sich verhindern, dass High- und Low-Side-Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind. Darüber hinaus erlaubt dies eine schnellere Reaktion auf Systembefehle und Fehler, was wiederum die Systemzuverlässigkeit sowie die Funktionssicherheit erhöht.

Diese Vorteile positionieren Transformator-basierte isolierte Gate-Treiber als beste Wahl zur Entwicklung von Motorsteuerungssystemen. Systementwickler sollten bei ihren nächsten Projekten in jedem Fall relevante Bauteileverzögerungen berücksichtigen.

Literatur

[1] Krakauer, D.: Balancing the Major elements of an Isolator for Safety’s Sake, Analog Devices Technical Article MS-2576, www.analog.com

[2] Munoz, A.R.; Lipo, T.A.: “On-Line Dead-Time Compensation Technique for Open-Loop PWM-VSI Drives”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.14 no.4, July 1999.

[3] http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NGTB15N60S1E-D.PDF

* Dara O’Sullivan ist System Applications Engineer für die Motor and Power Control Group bei Analog Devices in Limerick / Irland. Maurice Moroney arbeitet als Marketing Manager für die iCoupler Digital Isolator Group bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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