IGBT-Ansteuerung von Harting Elektrisch stecken – optisch übertragen

IGBTs steuern leistungsstarke elektrische Antriebe, ohne die eine Automatisierung kaum denkbar wäre. Diese werden über Kunststoff-Lichtwellenleiter isoliert an die Maschine angebunden – eine Lösung, die platzintensiv und empfindlich ist. Nun gibt es einen neuen, miniaturisierten Lösungsweg.

Für die Antriebstechnik werden Elektromotoren mit bis zu mehreren Kilo- und sogar Megawatt Leistungsaufnahme eingesetzt. Bei konstanten Geschwindigkeiten ist deren Steuerungstechnik recht einfach. Jedoch ist es oft notwendig, deren Drehzahl zu regeln, womit das Ganze gleich komplizierter wird. Die Drehzahlregelung in den größeren Leistungsklassen, etwa bei Zügen oder bei Schiffen, wird mit IGBTs realisiert.

Die notwendigen Signale zur IGBT-Ansteuerung werden mit Kunststoff-Lichtwellenleitern (Plastic Optical Fiber, POF) übertragen, da sehr hohe Isolations- und Spannungsanforderungen zu erfüllen sind. Aktuell benötigt man sechs IGBT-Treiberplatinen – je Phase zwei Stück –, um einen dreiphasigen Motor anzusteuern. Dabei realisieren die POF-Fasern eine störungsfreie und galvanisch getrennte Signalübertragung.

Besonders im Bereich der Lokomotiven werden IGBTs redundant ausgeführt, damit beim Ausfall eines Schalters auf dem Controller-Board die Funktion auf das redundante Bauteil übertragen wird, um die Funktion des Systems zu gewährleisten. Damit einher geht die Verdoppelung der optischen Übertragungsstrecken. Dabei wurde die bisherige Verbindung zwischen Controller- und Treiberplatine durch einzelne Fasern hergestellt. In den Transceivern der Leiterkarte erfolgt die elektrooptische Umwandlung der Signale, wobei optische Kontakte die Verbindung zu den Fasern herstellen. Jede optische Faser besitzt sowohl auf dem Treiber- als auch auf dem Controller-Board einen einzelnen Anschluss, in dem sich die Transceiver befinden. Mit dieser bisherigen Lösung benötigen alle Sende- und Empfangselemente auf dem Controller-Board viel Platz, was die Platine unnötig groß macht (Bild 1, unten).

Ein weiteres Manko ist, dass der Techniker im Servicefall und bei der Installation die diversen POF-Fasern an die richtigen Stellen stecken muss, denn er muss jede Faser einzeln jeweils mit Treiber- und Controller-Board verbinden. Diese Zuordnung muss er aufmerksam durchführen. Das erfordert eine gewisse Sorgfalt und Zeit. Für den korrekten Betrieb darf er Sender und Empfänger nicht vertauschen.

Um die Qualität der Faserstirnflächen zu garantieren, setzt man vorkonfektionierte Kabel ein, die auch vor Ort individuell vom Kunden montiert werden können. Die üblicherweise verwendeten optischen Elemente sind grundsätzlich für den industriellen Einsatz mit erweiterten Temperaturbereichen und erhöhten Vibrationen entwickelt, bieten aber nur eine einfache Zugentlastung für die Fasern. Wichtig ist zudem noch, dass die optische Schnittstelle konsequent vor Schmutz zu schützen ist. Im ungesteckten Zustand sind sogar Schutzkappen erforderlich.

Das Controller-Board nachträglich mit optischen Elementen zu bestücken ist auch nicht möglich, da diese aktuell nicht reflow-lötfähig sind. Ging also ein Transceiver kaputt, musste man bisher das ganze Board mit all seinen Kontakten trennen, austauschen und neu verbinden, was wiederum mit zusätzlichen Kosten und Aufwand verbunden war.

Verlagerung der Transceiver

Gemeinsam mit etablierten Schienenfahrzeugherstellern hat Harting die Lösung eines Übertragungsprinzips entwickelt, das die Transceiver des Controller-Boards in ein steckbares Modul verlagert und auf diese Weise die optische Schnittstelle nach dem Prinzip »elektrisch stecken und optisch übertragen« integriert (Bild 1, oben).

Für das elektrische Stecken und als Systemgehäuse verwendet Harting Lösungen aus der DIN-41612-Baureihe. Dabei erfüllt das Gehäuse aus Zinkdruckguss die gestiegenen Anforderungen des Bahnmarktes hinsichtlich Robustheit und EMV. Damit lassen sich Kabel gerade oder gewinkelt führen, und so bietet das Gehäuse einen Knickschutz und Zugentlastung für die Fasern. Zudem kann die Leiterkarte im DIN-Gehäuse bei Bedarf Serienwiderstände und Stützkondensatoren aufnehmen, um die optischen Elemente fehlerfrei anzusteuern und Störungen auszuschließen. Die elektrischen Kontakte der DIN-41612-Baureihe widerstehen auch dem Verschleiß durch Mikrovibrationen und sind damit für Bahnanwendungen getestet und zugelassen.

Dem Kunden wird durch das Active-Optical-POF-Modul das gleichzeitige Kontaktieren von bis zu 16 optischen Kanälen auf kleinem Bauraum ermöglicht. Dies vereinfacht und verkürzt die Installation und den Service. Zudem bietet Harting seinen Kunden konfektionierte Systeme an, die nach ihren Wünschen erstellt und geprüft werden. Die Integration der optischen Schnittstellen in einen schnell wechselbaren Steckverbinder macht den Service der verwendeten Controller-Boards schneller, einfacher und kostengünstiger. Ferner unterstützt das System Datenraten von bis zu 50 Mbit/s, die aber aufgrund der hohen Flankensteilheit der eingesetzten Sendeelemente in der Regel nicht vonnöten sind. Hier sind als Versorgungsspannungen sowohl 3,3 V als auch 5 V möglich.

Im ersten Schritt werden die neuen DIN-Anschlüsse nur auf den Controller-Boards verbaut. Die IGBT-Treiberplatinen bleiben zunächst unverändert, um den Wechsel zum neuen System zu vereinfachen. Durch diese schrittweise Anpassung müssen nicht gleich alle notwendigen Bauteile angepasst werden.

Zukünftig lässt sich das angewandte Prinzip vom Controller-Board auf die IGBT-Treiberplatine übertragen, auch dort ließe sich ein bidirektionales optisches Stecken und elektrisches Übertragen mithilfe eines kompakten D-Sub-Gehäuses realisieren. Damit ist dann ein beidseitiges Active-Optical-Cable zur IGBT-Ansteuerung geschaffen. Und diese robuste und servicefreundliche Lösung aus dem Bahnbereich wird sich in Zukunft auch in industriellen Anwendungen adaptieren lassen.