Isolation Wie man die Leistungsfähigkeit von Motorsteuerungen steigern kann

Autor / Redakteur: Dara O’Sullivan und Maurice Moroney * / Kristin Rinortner

Transformator-basierte Konzepte bieten gegenüber Optokopplern Vorteile bei Leistung, Geschwindigkeit und Stabilität und Vorzüge bei der System-Leistungsfähigkeit und Funktionssicherheit.

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Isolation von Motorsteuerungen: Optokoppler sind etabliert, aber digitale Isolatoren bieten eine Reihe von Vorteilen
Isolation von Motorsteuerungen: Optokoppler sind etabliert, aber digitale Isolatoren bieten eine Reihe von Vorteilen
(Bild: Analog Devices)

Die galvanische Trennung, also der Schutz von Anwendern und empfindlicher Elektronik, spielt bei Motorsteuerungssystemen seit je her eine wesentliche Rolle. Eine sichere Isolation schützt Anwender vor gefährlichen Spannungen, während die funktionale Isolation die Beschädigung von Geräten und Komponenten verhindert.

Motorsteuerungssysteme können eine Vielzahl isolierter Komponenten enthalten. Zum Beispiel in Antriebsschaltkreisen (isolierte Gate-Treiber), in Messschaltkreisen (isolierte A/D-Wandler, Verstärker, Sensoren) oder in Kommunikationsschaltkreisen (isolierte SPIs, RS-485-Schnittstellen, Standard-Digitalisolatoren). Eine sorgfältige Auswahl dieser Bauteile ist entscheidend. Nicht nur aus Sicherheitsgründen sondern auch zur Optimierung der Leistungsfähigkeit.

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Isolation ist zwar ein wichtiger Systemgesichtspunkt, jedoch mit Nachteilen verbunden, wie zum Beispiel einer erhöhten Leistungsaufnahme, Verzögerungen bei der Übertragung von Daten über die Isolationsstrecke und zusätzliche Systemkosten. Systementwickler setzten traditionell auf Optokoppler-basierte Lösungen, die viele Jahre die De-Fakto-Wahl für Systemisolation waren. Digitalisolatoren auf der Basis von magnetischen Methoden (Übertragung über Transformatoren) stellten im vergangenen Jahrzehnt eine sinnvolle und oft überlegene Alternative dar. Beim Einsatz auf Systemebene können diese Lösungen Vorteile bieten, die Systementwicklern nicht immer bewusst sind.

Dieser Artikel betrachtet beide Isolationslösungen. Besonderes Augenmerk liegt auf der verbesserten Leistungsfähigkeit bei den Verzögerungszeiten magnetischer Lösungen und den Vorteilen auf Systemebene, die sich in Motorsteuerungen zeigen.

Kurzer Überblick zu Isolationsmethoden

Optokoppler nutzen Licht als Hauptübertragungsmethode (Bild 1). Die Übertragungsseite besteht aus einer LED, die bei High-Pegeln ein- und bei Low-Signalen ausschaltet. Auf der Empfangsseite wandelt ein Fotodetektor das empfangene Licht zurück in ein elektrisches Signal. Für die Isolation sorgt die Vergussmasse zwischen LED und Fotodetektor. Eine zusätzliche Isolationsschicht, normalerweise auf Polymer-Basis, ist für eine erhöhte Isolation möglich.

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

Einer der größten Nachteile beim Einsatz von Optokopplern ist, dass sich die Emissionseigenschaften von LEDs während ihres Alterungsprozesses ändern. So kommt es bei der Alterung von LEDs zur Drift über die Zeit und Temperatur. Dies beeinträchtigt die Signallaufzeit sowie die Signalanstiegs- und Abfallzeiten, was wiederum die Entwicklung erschwert.

Optokoppler sind auch in Hinblick auf eine skalierbare Leistungsfähigkeit nicht ideal. Um die Datenraten zu erhöhen müssen die Auswirkungen von parasitären Kapazitäten, die in Optokopplern grundsätzlich vorhanden sind, eliminiert werden. Dies erfordert eine höhere Leistung. Die parasitäre Kapazität bewirkt ferner eine Einkopplung, die eine niedrigere CMTI (Common Mode Transient Immunity, Immunität gegenüber Transienten aus dem Gleichtaktbereich) verursacht.

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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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.

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.

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.

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.

Artikelfiles und Artikellinks

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