Analog Devices Digitalisolatoren in AC-Motorsteuerungen

Digitalisolatoren in AC-Motorsteuerungen
Digitalisolatoren in AC-Motorsteuerungen

Isolation ist ein integraler Bestandteil bei der Entwicklung von AC-Motorsteuerungen. Zur Realisierung elektrischer Isolation gibt es mehrere Methoden, z.B. Optokoppler und Digitalisolatoren. Boston Engineering Corporation hat vor kurzem ein Motorsteuerungskit für AC-Motoren entwickelt, in dem sich Digitalisolatoren als wichtigstes Element zur elektrischen Isolation befinden.

Gegenüber herkömmlichen Optokopplern bieten Digitalisolatoren eine Reihe von Vorteilen. Dies sind zum Beispiel geringere Kosten, weniger Bauteile und höhere Zuverlässigkeit. Der folgende Beitrag vergleicht Möglichkeiten zur elektrischen Isolation in herkömmlichen Motorsteuerungen und verdeutlicht die Vorzüge von Digitalisolatoren.

Bei Optokopplern wird LED-Licht verwendet, um Daten über eine Isolationsstrecke an eine Fotodiode zu übertragen. Beim Ein- und Ausschalten der LED werden auf der elektrisch isolierten Fotodiodenseite Logiksignale mit High- und Low-Pegeln erzeugt. Die Geschwindigkeit eines Optokopplers hängt direkt mit der Geschwindigkeit der Detektor-Fotodiode und der Zeit zusammen, die beim Laden ihrer Diodenkapazität vergeht. Eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu erhöhen, besteht darin, den LED-Strom zu erhöhen. Dies steigert jedoch den Energiebedarf.

Im Vergleich dazu nutzen Digitalisolatoren Transformatoren, um die Daten über eine Isolationsstrecke magnetisch zu koppeln. Bei Transformatoren werden Stromimpulse über eine Spule geschickt; ein kleines, lokales Magnetfeld entsteht, das wiederum Strom in einer anderen Spule erzeugt. Die Übertragungsgeschwindigkeit in Transformatoren ist wesentlich höher als bei Optokopplern. Transformatoren sind auch differenziell und bieten eine ausgezeichnete Immunität gegenüber Gleichtakttransienten. Da Digitalisolatoren auf Transformatoren und Optokoppler auf LEDs basieren, bieten Digitalisolatoren eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit (MTTF) gegenüber Optokopplern.

Isolation in einer Motorsteuerung

Das Bild zeigt die Blockschaltung der von der Boston Engineering Corporation entwickelten Hochvolt-Motorsteuerung FlexMC. Die Schaltung enthält einen universellen AC-Eingang, bietet eine PFC-Eingangsstufe und treibt einen Synchronmotor mit Permanentmagnet (PMSM) an. Zugleich liefert die Schaltung die erforderlichen Rückkopplungssignale für Steuerungen mit oder ohne Sensoren. Im Zentrum befindet sich eine Isolationsstrecke zwischen Hochvolt-Leistungselektronik und Controller. Die Motorleistungselektronik ist „Floating“ bei hohen Spannungspotenzialen, während der Controller auf Masse bezogen ist - daher die Notwendigkeit für die Isolation.

Zwei wichtige Hardware-Elemente in einer Motorsteuerung mit geschlossener Regelschleife sind die pulsbreitenmodulierten (PWM) Controller-Ausgänge und die Stromrückkopplung der Motorphase. Diese Signale passieren die Isolationsstrecke wie in der Blockschaltung gezeigt. Ferner gibt es mehrere andere Funktionen, die von Isolatoren profitieren. Dazu gehören digitale Kommunikation und isolierte Niederspannungs-DC/DC-Wandlung bei geringer Energieübertragung.

Die Pulsbreitenmodulation der Leistungsstufe befindet sich im Kern aller Motorsteuerungen. Die Schaltfrequenzen liegen meist zwischen 10 und 20 kHz. Die genaue Steuerung von Pulsbreiten, Totzeit und Kanal/Kanal-Verzögerung spielen bei der Optimierung der Steuerungsleistungsfähigkeit eine wichtige Rolle. Bei der Auswahl des geeigneten Isolationsbauteils für PWM-Steuersignale bieten Digitalisolatoren gegenüber vergleichbaren Optokopplern signifikante Vorteile bezüglich Leistungsfähigkeit und Kosten (Tabelle 1).

  ADuM1310 Optokoppler-Lösung
 Größe (mm²)
 323 290
 Kosten ($, bei 1.000 Stück)
 3,98 9,72
 Anzahl der Bauteile 2 6
 Max. Übertragungsgeschwindigkeit (Mbit/s) 90 50
 Max. Laufzeitverzögerung (ns) 32 650
 Ausgang: Anstiegs-/Abfallzeit (ns) 2,5 550
 Kanal/Kanal-Anpassung (ns) 2 500
 Dielektrische Isolation (VRMS) 2.500 3.750
 MTTF (106 h) 318 12,7
 Leistung (mW) 15 105
Tabelle 1. Isolationsbausteine für PWM-Steuersignale: Der Digitalisolator ADuM1310 bietet im Vergleich zu Optokoppler-basierten Lösungen einige Vorteile. (Quelle: Analog Devices)

Zum Beispiel verursachen Controller eine Totzeit zwischen schaltenden Signalen, um zu verhindern, dass High- und Low-Side-Transistorpaare gleichzeitig leiten (Überschwingen). Diese Totzeit ist eine Funktion der Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter und der Unsicherheit in der Verzögerung durch die Isolationsschaltungen. Der Digital-isolator ADuM1310 bietet eine Kanal/Kanal-Anpassung von nur 2 ns und übertrifft damit Optokoppler mit 500 ns. Durch Digitalisolatoren lässt sich die Totzeit deutlich verkürzen und so die Leistungsfähigkeit des Leistungswechselrichters steigern. Des Weiteren kann man der Vergleichstabelle entnehmen, dass der ADuM1310 eine wesentlich höhere Integrationsdichte bietet und so die Zahl der Bauteile sowie die Bauteilekosten reduziert.