Strommessung an 3-Phasen-Motoren Den richtigen Verstärker-IC finden

Galvanisch trennende Messung des Phasenstroms

Für aus dem AC-Netz gespeiste Wechselrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreisspannungen von 300 bis 1.200 V ermöglicht ein isolierender Verstärker oder Delta-Sigma-Modulator eine präzise Phasenstrommessung mit Widerständen. Die Isolation erlaubt ein Unterdrücken der hohen Gleichtaktspannung sowie der Transienten (siehe Tabelle 1). Da industrielle Antriebe den Anforderungen an die elektrische Sicherheit gemäß IEC 61800-5-1 genügen müssen, ist eine Basisisolation oder eine verstärkte Isolation erforderlich. Basisisolierte oder verstärkt isolierte Ver­stärker und Delta-Sigma-Modulatoren erfüllen diese Forderung.

Delta-Sigma-Modulatoren mit galvanischer Isolation

Bild 4 zeigt die Phasenstrommessung mit einem Strommesswiderstand und einem Delta-Sigma-Modulator mit galvanischer Trennung der Eingangsstufen von den Ausgangsstufen. Das Verfahren kann für drei Phasen oder für zwei Phasen angewendet werden, wobei im letzteren Fall die Stromstärke für die dritte Phase berechnet wird.

Die auf das Potenzial des Schaltknotens bezogene differenzielle Spannung am Strommesswiderstand wird einem Tiefpassfilter zugeführt, verstärkt und an den Eingang eines Delta-Sigma-Modulators zweiter Ordnung gegeben, der vom Ausgang isoliert ist. Das isolierte Ausgangssignal ist ein Bitstrom aus 1- und 0-Werten und der typisch zwischen 5 und 20 MHz betragenden Taktfrequenz des Modulators. Ein Dezimationsfilter im Mikrocontroller muss den Bitstrom in ein präzises Ausgangssignal umsetzen.

Aus der Sicht des Systems sollte der Delta-Sigma-Modulator mit integrierter Isolationsbarriere folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Einen Verstärker mit einem Anti-Aliasing-Filter und folgenden Eigenschaften:   

  • Eingangsbereich ±50 mV, um die Verluste im Strommesswiderstand gegenüber dem traditionellen Bereich von ±250 mV um 80 % zu verringern.
  • Sehr niedrige Verstärkungs- und Offsetwerte und entsprechende Drifts sind entscheidend für die Genauigkeit, da sie sich schwierig kompensieren lassen. Ein sehr niedriger Offset von 50 µV mit einer Drift von 1 µV/K ergibt einen Fehler von unter 0,11 % über einen Temperaturbereich von 25 °C bis 85 °C.
  • Ein integriertes Anti-Aliasing-Filter dämpft Rauschen oberhalb der halben Modulator-Taktfrequenz, damit dieses nicht zurückgefaltet wird und die Genauigkeit im interessierenden Frequenzband beeinflusst.
  • Der eingangsseitige Gleichtaktspannungsbereich sollte mindestens dem halben negativen Eingangsspannungsbereich entsprechen.

2. Einen Delta-Sigma-Modulator mit 20 MHz Taktfrequenz, um eine präzise und lineare Strommessung mit geringer Latenz zu ermöglichen. Modulatoren mit der Option eines Manchester-codierten Bitstroms vereinfachen die Weiterleitung des Takts vom Prozessor an die drei Modulatoren.

3. Einen weiten positiven Betriebsspannungsbereich und eine geringe Stromaufnahme, idealerweise mit einem integrierten LDO wie dem AMC1304, um die Stromversorgung der oberen Gate-Treiber nutzen zu können.

4. Eine Diagnosefunktion, die einen Ausfall der positiven Stromversorgung feststellen kann, um unplau­sible Messungen zu vermeiden.

5. Basisisolation oder verstärkte Isolation mit hoher Immunität gegen elektromagnetische Felder und einem hohen CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) von mindestens 10 kV/µs zur Unterdrückung von Transienten am Schaltknoten.

6. CMOS- oder LVDS-Schnittstelle. In Umgebungen mit hohem Störaufkommen oder bei längeren Leiterbahnen ermöglicht das LVDS-Interface eine größere Beständigkeit gegen Gleichtaktstörungen.

Das Tiefpass-Dezimationsfilter des Prozessors, z.B. ein Sinc-Filter, legt die Bandbreite und Auflösung des Ausgangssignals fest, indem es hochfrequentes Rauschen abschneidet. Der ENOB-Wert (Effective Number of Bits) und die Einschwingzeit erhöhen sich mit der Ordnung und dem Überabtastungsverhältnis (OSR – Oversampling Rate) des Sinc-Filters (Bild 5).

Vorteilhaft an digitalen Filtern ist, dass das Verhältnis zwischen Auflösung, Bandbreite und Einschwingzeit per Software konfiguriert werden kann und dass es möglich ist, zwei oder drei Filter auf denselben Bitstrom anzuwenden. Das Ergebnis ist eine genaue Phasen­strommessung für eine präzise Regelung – z.B. 12 ENOB mit einem Sinc3-Filter und 64-facher Überabtastung – und einer sehr schnellen Überstrom-Erkennung, z.B. 1,2 µs mit einem Sinc3-Filter und 8-facher Überabtastung.

Verstärker mit galvanischer Isolation

Die Schaltung zur Phasenstrommessung mittels Messwiderstand und einem Verstärker mit integrierter Isolationsbarriere zeigt Bild 6. Die rot dargestellten Eingangsstufen des Verstärkers sind die gleichen wie bei dem Delta-Sigma-Modulator in Bild 4. Der Hauptunterschied ist die Einbeziehung eines Ausgangsfilters (blau dargestellt). Ein aktiver Tiefpass mit festgelegter Grenzfrequenz entfernt das hochfrequente Quantisierungsrauschen aus dem Bitstrom und sorgt für ein hochgradig lineares, differenzielles analoges Ausgangssignal.

Die unter den Punkten 1. bis 5. angegebenen wünschenswerten Eigenschaften eines Delta-Sigma-Modulators gelten auch für Verstärker mit integrierter Isolationsbarriere, allerdings sind die analoge Bandbreite und die Einschwingzeit durch die Verstärkerschaltung vorgegeben und vom bausteinspezifischen Oszillatortakt und Tiefpassfilter abhängig.

Die auf einem Verstärker mit integrierter Isolationsbarriere basierende Phasen­strommessung besteht aus drei Stufen, einem Verstärker zur galvanischen Trennung, einem zusätzlichen Verstärker zur Umsetzung des differenziellen in ein massebezogenes Signal sowie in der Regel einem massebezogenen SAR-ADU mit 12 bit. Für die Kurzschlusserkennung ist ein zusätzlicher Fensterkomparator für jede Phase erforderlich.

Ein wichtiger Vorteil der Verstärker mit integrierter Isolationsbarriere ist ihre einfache analoge Schnittstelle am Ausgang, an die unterschiedliche Mikrocontroller mit integriertem ADU angeschlossen werden können. Für massebezogene ADUs wird ein zusätzlicher Operationsverstärker benötigt, der die Leistungsfähigkeit nicht beeinträchtigt. Zur Verbesserung der Störimmunität sollte der Operationsverstärker nah am Mikrocontroller platziert werden, damit die Leiterbahnen für das analoge Messsignal über eine möglichst große Strecke differenziell bleiben kann.

Wird rein auf die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Schaltungen geschaut, so bietet die Schaltung mit dem Delta-Sigma-Modulator die besseren Eigenschaften (Tabelle 4).

Für jede der drei beschriebenen Optionen bietet Texas Instruments Referenzdesign, das detaillierte Richtlinien zur Schaltungsentwicklung und Messergebnisse enthält.

 

Literatur

[1] Current Sensing with <1-µs Settling for 1-, 2- and 3-Shunt FOC in 3-Phase Inverter. Texas Instruments, Referenz­design TIDA-00778, März 2017, www.ti.com/tool/TIDA-00778.

[2] Parzuber, H.: High precision in motor drive control enables industrial advances. Texas Instruments, White­paper SLYY117, Juni 2017, www.ti.com/lit/SLYY117.

[3] Bridgmon, J. und Andrews, C.: Current Sensing for Inline Motor-Control Applications. Texas Instruments, Application Report SBOA172, Oktober 2016,
www.ti.com/lit/SBOA172.

[4] Hill, S.: Low-Drift, Low-Side Current Measurements for Three-Phase Systems. Texas Instruments, Application Note SBOA161B, September 2017, www.ti.com/lit/SBOA161.

[5] 48 V 3-Phase Inverter with Shunt-Based In-Line Motor Phase Current Sensing. Texas Instruments, Referenzdesign, TIDA-00913, April 2017, www.ti.com/tool/TIDA-00913.

[6] Reinforced Isolated Phase Current Sense Reference Design with Small Delta Sigma Modulators, Referenzdesign, TIDA-00914, April 2018, www.ti.com/tool/TIDA-00914.

[7] High-Bandwidth Phase Current and DC-Link Voltage Sensing Reference Design for Three-Phase Inverters.Texas Instruments, Referenzdesign, TIDA-01541, April 2018, www.ti.com/tool/TIDA-01541.

 

Der Autor

 

Martin Staebler

studierte Elektrotechnik an der Universität Stuttgart und ist seit 1995 bei Texas Instruments Deutschland in Freising tätig. Er arbeitete als Field Application Engineer für digitale Signalprozessoren unter anderem im Bereich digitale Motorregelungen. Seit 2010 ist er System Application Manager und für den Bereich Systemanwendungen mit TI-Mikrocontrollern in Europa zuständig.

asktexas@ti.com