Signalkoppler Vorteile der galvanischen Trennung in Motorwechselrichtern ausschöpfen

Die galvanische Trennung zwischen Schaltkreisen in einem Wechselrichter dient der Sicherheit, vereinfacht die Schaltung und reduziert Störsignale. Jedoch müssen Steuer- und Messsignale in beide Richtungen über die Isolationsbarriere hinweg transportiert werden. Von diesen Signalpfaden wird aber mehr gefordert als nur die Isolation zwischen Sender- und Empfänger-Schaltung. Die Signalübertragung soll möglichst verzögerungsfrei erfolgen und der Signalpfad darf keine Brücke für Störsignale sein.

Die Herausforderung bei der Entwicklung von Umrichtern für die Motordrehzahlregelung besteht in der Verbindung der für hohe Ströme und hohe Spannungen dimensionierten Leistungsstufen mit der Steuerschaltung in Niederspannungstechnik, ohne Einbußen bezüglich Störfestigkeit oder Schaltgeschwindigkeit.

Der Wirkungsgrad eines modernen Wechselrichters liegt normalerweise über 95 %. Dabei kommen Leistungstransistoren zum Einsatz, welche als Schalter die Motorwicklungen abwechselnd mit der positiven (oben) und negativen (unten) Ausgangsspannung einer Gleichspannungsversorgung verbinden. Diese Methode minimiert die Verluste im Umrichter, da die Leistungstransistoren im gesättigten Zustand arbeiten - mit minimaler Spannungsdifferenz und Verlustleistung im eingeschalteten Zustand.

Während des Umschaltens zwischen oberen und unteren Leistungstransistoren entsteht jedoch Verlustleistung. Denn in der Umschaltphase, wenn der Laststrom zwischen oberen und unteren Leistungshalbleitern wechselt, liegt über dem Leistungstransistor eine hohe Spannung an. Hersteller von Leistungshalbleitern entwickeln Transistoren wie IGBTs mit kurzen Ein- und Ausschaltzeiten, um diese Schaltverluste zu minimieren. Allerdings hat die höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistoren auch einige unerwünschte Nebeneffekte wie z.B. höhere Störsignale.

Die Leistungsfähigkeit der Steuerschaltungen zur Antriebsregelung wurde durch Fortschritte in der Integration von Mixed-Signal-Schaltungen verbessert - bei gleichzeitig sinkenden Kosten. Damit wird die Nutzung innovativer, digitaler Regelalgorithmen möglich, um Drehstrommotoren mit noch höherem Wirkungsgrad zu betreiben. Der Preis für diese höhere Leistungsfähigkeit ist eine Reduzierung der IC-Betriebsspannungen von 12 V auf 5 V und inzwischen 3,3 V mit zunehmender Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen. Herkömmliche Filter-Konzepte zur Dämpfung dieser Störsignale sind oft nicht anwendbar, weil die Bandbreite des Antriebsregelkreises als wichtiger Parameter beibehalten werden muss.

Umgebung des Wechselrichters für den Motorantrieb

Ein Dreiphasen-Wechselrichter steuert den Leistungsfluss einer DC-Versorgungsspannung auf die drei Wicklungen eines Drehstrommotors. Der Wechselrichter hat drei identische Pfade. Jeder Pfad enthält zwei IGBTs und zwei Dioden (Bild 1). Jede Motorwicklung ist über einen Strommesswiderstand mit dem gemeinsamen Knoten der beiden Transistoren verbunden. Um die mittlere Spannung an der Motorwicklung zu steuern, werden die Motorwicklungen über die IGBTs mit der oberen und unteren Gleichspannung verbunden.

Die Wicklungen sind stark induktiv und wirken einer Änderung des Stromflusses entgegen. Wenn also ein Leistungstransistor ausgeschaltet wird, beginnt Strom durch die Diode zu fließen, die mit der jeweils entgegengesetzt gepolten Versorgungsspannung verbunden ist. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Stromfluss zu den Motorwicklungen auch dann, wenn der Strom diskontinuierlich durch die Leistungshalbleiter im Wechselrichter und den Stützkondensator im Gleichspannungszwischenkreis fließt. Die Impedanz der Motorwicklungen verhält sich wie ein Tiefpassfilter, das die pulsweitenmodulierte, hohe Rechteckausgangsspannung des Wechselrichters integriert.

Der Anschluss der Niedervolt-Steuerschaltung an die Leistungsstufe des Wechselrichters ist eine große Herausforderung. Ein grundsätzliches Problem ist, dass das Potenzial des Knotens, mit dem der Emitter des oberen Transistors verbunden ist, zwischen der positiven und negativen Versorgungsspannung wechselt. Dazu muss der obere Treiber in der Lage sein, das Gate-Signal relativ zu einem Emitter-Potenzial zu erzeugen, das 300 V oder mehr über seinem Eingangssignal liegt.

Zusätzlich muss die vom Motorstrom abgeleitete Spannung an einem Strommesswiderstand (Um) erfasst werden, der auf einem Potenzial von 300 V oder höher liegt. Zusätzliche Probleme verursachen parasitäre Elemente in der Leistungsstufe. Bei Schaltgeschwindigkeiten der Leistungstransistoren und -dioden von über 1 A/ns können beim Ein- und Ausschalten durch Leiterbahninduktivitäten von nur 10 nH bereits Spannungen größer als 10 V induziert werden.

Parasitäre Kapazitäten und Kapazitäten der Bauteile verursachen Resonanzschwingungen und verlängern so den durch die Schaltvorgänge erzeugten Störimpuls. Sogar die HF-Impedanz der Motorzuleitungen kann Probleme verursachen, wenn aus Sicherheitsgründen die Leistungselektronik weit vom Motor entfernt montiert wird. Weitere negative Effekte haben Störsignale, die von den schnellen Spannungsänderungen an den Motorwicklungen ausgehen und auf die Sensorsignale im Rückkopplungszweig eingekoppelt werden.

Das Problem wächst um eine Größenordnung, wenn aufgrund der geforderten Leistung sowohl die Abmessungen der Leiterplatte - und damit auch die parasitären Induktivitäten - größer werden, als auch die Stromstärken und die Schaltfrequenzen steigen.

Die galvanische Trennung der Steuerschaltung von der Leistungsstufe ist ein wesentliches Instrument gegen die Einkopplung von Störsignalen. Allerdings müssen die Steuer- und Sensorsignale über die galvanische Barriere hinweg übertragen werden. Die Leistungsfähigkeit der hierfür genutzten Isolationsschaltungen ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Antriebs.

Der Positionsgeber der Motorwelle erzeugt digitale Pulse mit Frequenzen von 100 kHz oder höher. In vielen Fällen ist der Encoder mit einem Schaltkreis ausgestattet, um die Genauigkeit zu erhöhen - was die Datenrate auf über 10 Mbit/s steigern kann. Auch das Strommesssignal kann potenzialfrei zur Steuerschaltung rückgekoppelt werden, indem es zunächst digitalisiert und anschließend als serieller Datenstrom übertragen wird. In diesem Fall liegen die Datenraten bei 10 Mbit/s bis 20 Mbit/s.

An die Gate-Treiberschaltungen werden scheinbar keine besonders hohen Anforderungen gestellt, da Wechselrichter für Motoren selten mit Schaltfrequenzen über 20 kHz arbeiten. Allerdings muss eine Totzeit zwischen den Schaltsignalen für den oberen und den unteren Leistungstransistor eingefügt werden, um zu verhindern, dass beide Transistoren gleichzeitig eingeschaltet sind. Die Totzeit lässt sich als eine Funktion der Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten der Leistungstransistoren, zuzüglich der von den galvanisch trennenden Übertragungsschaltungen verursachten Verzögerung, definieren.

Eine erweiterte Totzeit steigert die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion des Leistungswandlers, wodurch unerwünschte Strom-Harmonische entstehen und der Wirkungsgrad möglicherweise sinkt. Daher ist es wichtig, dass die Methode, wie Daten über die isolierende Barriere zwischen Leistungsstufen und Steuerschaltung übertragen werden, zu keinen Timing-Unsicherheiten beim Schalten führen und immun gegenüber Störsignalen ist.