Integriert statt diskret Steuerung von 3-Phasen-Asynchronmotoren mit intelligenten Leistungsmodulen

Obwohl das Interesse für Permanentmagnet-Synchronmotoren in den letzten zehn Jahren zugenommen hat, ist der 3-Phasen-Asynchronmotor nach wie vor der am häufigsten eingesetzte Elektromotor. Sowohl die direkte Verbindung mit dem 3-Phasen-Stromnetz als auch die Stern- Dreieck-Schaltung arbeiten mit einer festen Frequenz. Frequenzumrichter erlauben dagegen eine Einstellung der Geschwindigkeit und des Stroms. Eine bessere dynamische Reaktion als die einfache skalare Steuerung (U/f-Steuerung) liefert eine Vektorsteuerung (feldorientierte Regelung). Mittlerweile ersetzen zunehmend intelligente Leistungsmodule die diskreten IGBT-Lösungen und ermöglichen damit die Entwicklung kostengünstiger Steuerungen.

Asynchronmotoren sind die im Leistungsbereich von 100 W bis zu einigen 100 kW weltweit am häufigsten eingesetzten Elektromotoren. Sie zeichnen sich durch einen robusten und einfachen Aufbau, relativ geringe Kosten, eine lange Lebensdauer und einen mittleren bis hohen Wirkungsgrad aus. Universelle Asynchronmotoren decken einen Großteil des Marktes ab, wobei die wichtigsten Eigenschaften standardisiert und die Motoren in verschiedenen Effizienzklassen erhältlich sind. Durch die Standardisierung der Einbaumaße, mechanischen Größen und Kühlung sowie des Schutzes gegen Kontakt und Eindringen von Fremdkörpern und Wasser sind die Motoren weltweit bei gleichen Anforderungen auch bei unterschiedlichem Hersteller problemlos austauschbar.

Neben dem Betrieb eines Asynchronmotors über einen Frequenzumrichter hat der Asynchronmotor auch den Markt für Servo- Anwendungen erobert. Servo-Steuerungen stellen eine Alternative dar, wenn keine höchste dynamische Leistung benötigt wird. Servo-Motoren auf Basis von Asynchronmotoren zeichnen sich durch eine sehr hohe dynamische Reaktion aus. Das kompakte Design in Verbindung mit der geringen Trägheit gewährleistet eine ausgezeichnete Leistungsdichte. Für diesen Zweck wird allerdings ein Servo-Regler benötigt. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters lassen sich die Spannungen und Ströme für den AC-Motor einstellen. Früher bestand die Einschränkung, dass nur ein Direktbetrieb, ein Stern- Dreieck-Start, ein Sanftanlauf und ähnliche Verfahren zur Verfügung standen. Diese wurden mittlerweile weitgehend von Frequenzumrichtern abgelöst. Der grundlegende Aufbau eines Frequenzumrichters ist in Bild 1 dargestellt. Der Hauptteil besteht aus sechs IGBTs/Dioden und Gate-Treibern, die einen 3-Phasen-Spannungswandler (VSI – Voltage Source Inverter) bilden. Intelligente Leistungsmodule (IPM) stellen allerdings immer häufiger eine Alternative dar.

Mittlerweile ist ein vollständiger Vier-Quadranten- Betrieb des Motors möglich. Durch Steuersignale in der richtigen Reihenfolge lassen sich der Strom und die Geschwindigkeit des Motors einstellen. Die Drehrichtung sowie die Richtung des Energietransports sind ebenfalls einstellbar, vorausgesetzt dass die Energie der DC-Hauptkapazität in Bild 1 über einen Brems-Chopper abgebaut werden kann. Eine Vektorregelung (FOC – Field- Oriented Control) ist bei 3-Phasen- AC-Motoren ebenfalls weit verbreitet und gewährleistet eine hohe Dynamik. Dies ist zudem eine wichtige Technologie für Servo-Anwendungen. Der Ansatz besteht darin, den Betrieb eines DC-Motors nachzuahmen. Die Vektorregelung basiert auf der Entkopplung der Stromkomponenten zur Erzeugung des Drehmoments und des magnetischen Flusses des Kurzschlusskäfigs. Das Blockdiagramm einer Vektorregelung einschließlich der benötigten umgebenden Komponenten ist in Bild 2 dargestellt. Die drei zeitveränderlichen Ausgangsströme (Ia, Ib, Ic) werden mittels einer Clarke-Park-Transformation in zwei zeitunabhängige Werte (Id, Iq) umgewandelt.

Diese Umwandlung der 3-Phasen- Ausgangsströme in die Stator-Referenzwerte α, β und die Rotor-Referenzwerte d, q vereinfachen die benötigte Steuerstrategie von einem dreidimensionalen AC-Wert auf einen zweidimensionalen DCWert. Die sich daraus er- gebenden zwei auf den Rotor bezogenen Stromkomponenten sind der Quadraturstrom Iq und der Gleichstrom Id. Dabei steht der Quadraturstrom senkrecht zur Achse des Rotorflusses und ist damit proportional zum Drehmoment. Die zweite Stromkomponente Id magnetisiert den Rotor, um das Rotormagnetfeld aufzubauen. Über die Stärke des Gleichstroms kann der Schlupf des Asynchronmotors gesteuert werden. Damit lassen sich die konstanten DC-Werte einfach steuern. Der Unterschied zwischen den gemessenen Stromkomponenten und den erwünschten Werten, der natürlich von der benötigten Geschwindigkeit des Motors abhängt, dient als Vergleichswert für den PI-Regler und die inverse Park-Transformation. Die inverse Transformation ergibt zeitabhängige Spannungen (Uα*, Uβ*), die als Eingangssignale für die Space-Vector- Modulation (SVM) dienen. Damit generiert die SVM das Gate-Signal für das IPM. Die sensorlose Steuerung von AC-Motoren ist noch immer ein interessanter und wachsender Forschungsbereich.

Im Falle eines synchronmotors kann die sensorlose Steuerung aufgrund der Tatsache vereinfacht werden, dass die Position des Kurzschlusskäfigs für den Betrieb des Motors nicht relevant ist. Wenn eine Drehzahlregelung gewünscht wird, kann die Rotorposition direkt aus der so genannten gegenelektromotorischen Kraft (BEMF) berechnet werden. Im Allgemeinen verfügt das FOC-Verfahren über zwei unabhängige Regelkreise – je eine Schleife für die beiden Stromkomponenten Id und Iq. Dadurch können beide Ströme getrennt gesteuert werden. Eine äußere Schleife steuert die Rotorgeschwindigkeit und wird genutzt, um das Drehmoment-Referenzsignal Iq* zu erzeugen.

Vorteile von intelligenten Leistungsmodulen

Bild 3 zeigt eine einfache Kommutierungsschaltung. Die kritischen Strompfade eines VSI sind durch hohe di/dt-Werte charakterisiert. Dies gilt auch für die entsprechenden Gate- Treiber. Eine Minimierung der Streuinduktivitäten gewährleistet einen sicheren Betrieb der Gate-Treiber und IGBTs. Insbesondere kann eine negative Spannung am High-Side-Gate- Treiber über die minimal zulässige Spannung hinaus zu einem anormalen Betrieb führen. Dies kann beispielsweise durch ohmsche oder induktive Spannungseinbrüche über der Low-Side-Diode und den Strompfad verursacht werden. Eine Möglichkeit, um dies zu vermeiden, besteht darin, die Schaltgeschwindigkeit durch höhere Gate-Widerstände zu verlangsamen, was aber jedoch sehr viel höhere Schaltverluste zur Folge hat. Deshalb ist ein optimiertes Layout erforderlich, um die volle Leistungsfähigkeit des VSI nutzen zu können. Die Gate-Treiber sollten so nah wie möglich bei den IGBTs platziert werden, vorzugsweise ohne Schleifen oder Umwege.

Der Signalpfad zwischen dem Mikrocontroller und dem Gate-Treiber ist nicht so entscheidend. Die Pin-Länge der diskreten IGBTs sollte so kurz wie möglich sein, um parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten zu minimieren. Die Anordnung der sechs IGBTs und Gate-Treiber in einem Gehäuse muss daher gut überlegt werden. Eine zusätzliche Isolierung ist erforderlich, um die Bauteile auf einem Kühlkörper montieren zu können. In vielen Fällen muss der sperrige Kühlkörper am Rand der Leiterplatte platziert werden. Um die erwähnten Einschränkungen zu vermeiden, bietet sich der Ein- an, die auch unter der Bezeichnung Smart-Power-Modules bekannt sind. Durch den Einsatz dieser vollisolierten Module lässt sich gegenüber einer diskreten Lösung bis zu 50 % Platz auf der Leiterplatte einsparen. So ist beispielsweise das TinySMD-Modul nur 29 mm x 12 mm groß. Das kleine Gehäuse und die interne Anordnung der drei Halbbrücken- und Gate-Treiber gewährleisten minimale Streukomponenten. Alle entscheidenden Schleifen sind im Modul enthalten. Die Bauteilcharakteristik kann optimal während der Entwicklung des SPMModuls auf die Anforderungen des Frequenzumrichters abgestimmt werden. Diese Module wurden speziell in Hinblick auf die Erfüllung der EMVAnforderungen mit einem Minimum an zusätzlichen externen Komponenten entwickelt. Der Maximal- und der mittlere EMV-Wert dieses Moduls sind deutlich niedriger als bei konventionellen Typen.

SPM reduziert Anzahl der Halbleiter

IPMs werden immer häufiger in Frequenzumrichtern eingesetzt, da integrierte Lösungen einige entscheidende Vorteile bieten. Dies wird beispielsweise bei einem SPM-Modul für eine Bewegungssteuerung deutlich, das einen 3-Phasen-VSI einschließlich eines fein abgestimmten Gate-Treibers sowie zusätzliche Schutzfunktionen enthält – wie Unterspannungsschutz, Überstromschutz und Fehlerausgabe. Wie bereits in Bild 1 dargestellt, lässt sich damit auch die Anzahl der Halbleiter reduzieren. Damit muss nur eine Komponente am Kühlkörper befestigt werden. Die genau aufeinander abgestimmten IGBTs und Treiber gewährleisten zudem eine höhere Leistung. Außerdem sind Leistungsschwankungen viel besser steuerbar als bei einer diskreten Lösung. Darüber hinaus bieten die vollständig isolierten Module eine höhere Zuverlässigkeit, da die Schutzfunktionen nahe den Leistungsschaltern angeordnet sind und der niedrige Wärmewiderstand des Gehäuses kleinere Temperaturänderungen bei einem Lastwechsel sicherstellt. Die Verwendung von IPMs vereinfacht zudem die Design-in-Phase, da das Design einfacher und schneller abläuft und eine höhere Flexibilität erreicht wird. Ein möglicher Aufbau eines Frequenzumrichters auf Basis eines SPM ist in Bild 4 dargestellt. Es zeigt einen typischen Konverter, der in Hinblick auf einen kompakten Aufbau und eine einfache Fertigung optimiert wurde.

Die Rückseite des Gehäuses kann zur Kühlung genutzt werden. Das Modul wird direkt auf dem Kühlkörper befestigt, der das Gehäuse gleichzeitig stabilisiert. Aus diesem Grund wurde das Modul verkehrt herum montiert. Das TinySMD-SPMModule benötigt bis zu einer Ausgangsleistung von rund 90 W bei einem hohen Leistungsfaktor keinen Kühlkörper, was das Layout der Leiterplatte vereinfacht. Asynchronmotoren zeichnen sich durch eine robuste und einfache Konstruktion, sowie eine lange Lebensdauer, relativ geringe Kosten und umfassende Schutzmechanismen aus. Auf Grund der Standardisierung sind sie zudem weit verbreitet. Durch den erstärkten Einsatz von intelligenten Leistungsmodulen wird die Marktposition der Asynchronmotoren noch gestärkt, da im Vergleich zu diskreten Lösungenhöhere Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit erreicht werden. Mit Hilfe intelligenter Leistungsmodule lässt sich der Flächenbedarf für die Stromschleifen und die parasitären Komponenten außerdem minimieren. Überdies wurde bei der Entwicklung darauf geachtet, dass weniger externe Komponenten benötigt, die EMV-Anforderungen erfüllt und das Designs von Frequenzumrichtern vereinfacht werden. Darüber hinaus lässt sich durch eine sensorlose Vektorsteuerung eine höhere Leistung erreichen.

 

Dr. Stephan Chmielus
studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig und promovierte anschließend im Gebiet der Leistungshalbleiter. Er arbeitet heute als Field Application Engineer bei Fairchild Semiconductor, wo er die Gebiete Motion-Control und IPMs betreut.

stephan.chmielus@fairchildsemi.com