Mikrotransformatoren
Potentialtrennung für Daten, Impulse und Stromversorgung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Isolation in der Antriebssteuerung
In der Ansteuerschaltung von Elektromotoren ist für zwei Hauptteile eine galvanische Trennung erforderlich: der Gate-Treiber für IGBTs von Brücken-Wechselrichtern (Inverter) und die Schaltung, mit der die Phasen der Motorströme bestimmt werden. Diese Phasenstrommessung schützt die IGBTs vor falschen Steuerimpulsen und liefert die Information für die Realisierung einer linearen Stromgegenkopplung (Current Feedback) mit einem Controller. Dies ist erforderlich, um die Stromsteuerung stets in einer geschlossener Regelschleife (Closed-Loop Current Control) aufrechtzuerhalten.
In der Regel werden für die Strommessung in Reihe geschaltete Shunt-Widerstände am Ausgang des Wechselrichters genutzt, die dort abfallenden Spannungen werden von Präzisions-A/D-Wandlern digitalisiert. Eine isolierte Stromversorgung für die A/D-Umsetzer und die Gate-Treiberschaltung ermöglichen den Betrieb dieser Baugruppen an der „High Side“. Dabei sind für jede Phase separate Versorgungen erforderlich. Die iCoupler-Isolatoren von Analog Devices können dank der implementierten Mikrotransformatoren diese galvanische Trennung von Signalen und Stromversorgung in den Motortreiberschaltungen vereinfachen.
Bild 1 zeigt die Implementierung eines Motortreibers mit geringer Stromaufnahme unter Verwendung von Mikrotransformatoren. Der Halbbrücken-Gate-Treiber, in den eine 15-V-Spannungsversorgung mit 300 mW Ausgangsleistung integriert ist, bietet einen isolierten 15-V-Gate-Treiber-Ausgang für den „High Side“-IGBT und einen nicht-isolierten 15-V-Gate-Treiber-Ausgang für den „Low Side“-IGBT. Die 15-V-„High Side“-Versorgungsspannung, die von dem integrierten DC/DC-Wandler erzeugt wird, liefert die Energie für die Ansteuerung des IGBT über eine Puffer-Schaltung.
Außerdem kann sie in Verbindung mit einer Zener-Diode verwendet werden, um eine Spannung von 3 bis 5 V zur Versorgung des A/D-Umsetzers zu erzeugen, der für die Strommessung genutzt wird. Ein isolierter Sigma/Delta-Modulator 2. Ordnung wandelt das analoge Eingangssignal in einen schnellen 1-bit-Datenstrom, der direkt an den Controller zur Weiterverarbeitung geleitet werden kann. Dabei erhält der Modulator sein Taktsignal vom Controller. Ohne einen integrierten A/D-Umsetzer wären für eine solche Schaltung mehrere Optokoppler erforderlich; langsame Optokoppler sind jedoch für die Übertragung dieses schnellen Datenstromes nicht geeignet.
Eine Alternative wären Pegelanpassungsschaltungen für hohe Spannungen. Diese können schneller sein als Optokoppler, sie bieten aber keine galvanische Trennung. Eine solche Trennung ist jedoch erforderlich, um bei negativen Transienten Latch-up-Effekte zu verhindern. Sowohl bei den „High Side“-Gate-Treibern wie auch beim A/D-Umsetzer ist das Massepotential auf die Inverter-Ausgänge bezogen, die sehr schnell schalten können. Die Isolation mit den iCoupler-Bausteinen bietet eine hohe Festigkeit gegenüber Gleichtakt-Transienten, damit kann auch die Integrität der Daten für das „High Side“-Schalten und die Strommessungen sichergestellt werden. Die rot gestrichelten Linien in Bild 1 zeigen die Dimensionen der Isolationsschranke.
Die Schaltungen im blau unterlegten Kasten können für zusätzliche Phasen in Brücken-Wechselrichtern mehrmals verwendet werden. Die Ausgänge der Brücken-Wechselrichter müssen voneinander isoliert sein, was mit mehreren Halbbrücken-Gate-Treibern realisiert wird. Jeder der Halbbrücken-Gate-Treiber erzeugt sein eigenes Gate-Treiber-Signal und die „High Side“-Versorgungsspannung.
Auch für höhere Leistungsklassen Für Motorsteuerungen mit mittleren bis hohen Leistungen ist eine Isolation in aller Regel auch für „Low Side“-Gate-Treiber erforderlich (Bild 2). Die galvanische Trennung auf der „Low Side“ schützt den Controller vor Beschädigung durch Schalttransienten des IGBT. Die sechs Gate-Treiber-Signale sind in der Regel von der Steuerlogik isoliert. Sie liefern Eingangssignale an ein Gate-Treiber-Modul, das entweder den Pegel an die „High Side“-IGBTs anpasst oder diese gegen den Controller isoliert. Die Isolation des Controllers ermöglicht die einfache Übertragung von Informationen über die Amplitude und die Phase der Motorströme und von Steuerimpulsen von und zum Leistungsteil der Schaltung. Der vierkanalige Isolator bietet für vier der sechs Gate-Treiber-Signale des Controllers eine galvanische Trennung. Der andere vierkanalige Isolator ermöglicht eine höhere Isolation der beiden anderen Gate-Treiber-Signale. Zwei nicht genutzte Isolationskanäle lassen sich für die serielle Kommunikation zwischen dem Controller und der Treiberschaltung nutzen.
Ein nicht-isolierter A/D-Wandler kann für eine direkte Strommessung auf der Hochspannungsseite verwendet werden. Mit einer Leistung von 500 mW, die sich über die Isolationsbarriere der ADuM5400 übertragen lässt, können beliebige Logikschaltungen versorgt werden; etwa die Ausgangsseite des A/D-Wandlers ADuM2401, der hier für die Spannungsmessung verwendet wurde. Hall-Effekt-Sensoren werden wegen der Einschränkungen durch die Verlustwärme bei Shunt-Widerstän-den in der Regel für Antriebe mit hohen Leistungen verwendet.
Falls ein in Reihe geschalteter Shunt-Widerstand für Phasenstrom-Messung in Motorantrieben mit mittlerer Leistung verwendet wird, kann ein isolierter Sigma/Delta-Modulator 2. Ordnung verwendet werden, der die Information über Amplitude und Phase für den Controller in digitaler Form zur Verfügung stellt.
Der Autor:
| Dr. Baoxing Chen |
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| hat an der University of Michigan den Master Degree in Elektrotechnik erworben und anschließend dort ein Studium der Physik als Ph. D. abgeschlossen. Er gehört zu den Erfindern der Methode, Signale und elektrische Energie mit Mikrotransformatoren über Isolationsbarrieren zu übertragen, hat mehr als 20 Beiträge in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht und hält sieben US-Patente. Heute ist er als Senior Staff Engineer bei Analog Devices tätig. |
Baoxing.chen@analog.com
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