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Gate-Drive- und Current-Feedback-Signalisolation in Antrieben:

Sicher isoliert

19. Mai 2015, 10:44 Uhr | Von Dara O’Sullivan und Nicola O’Byrne

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Isolierte Strommessung

Knoten zur Messung des Stromes in der Motorphase sind bei Messungen mit einem Shunt mit dem gleichen Schaltungsknoten wie der Gate-Treiber verbunden und weisen daher die gleichen Isolationsspannungen und Schalttransienten auf. Die Messung von Phasenströmen ist bei hochleistungsfähigen Motorsteuerungen mit geschlossenem Regelkreis kritisch. Eine hochwertige Messung in dieser rauen Umgebung mit hohen elektrischen Rauschanteilen durchzuführen ist nicht trivial.

In Systemen mit höherer Leistung verwendet man isolierte Stromsensoren wie Stromtransformatoren oder Hall-Sensoren, die von Grund auf über eine Isolation verfügen. In Systemen mit niedrigeren Leistungen geht der Trend hin zu Shunt-Widerständen mit isolierten ∑-∆-Modulatoren wie den AD7403.

Frühere Systeme nutzen im Allgemeinen die Entsättigungs-Gate-Treiber-Funktion zur Implementierung von Kurzschluss- bzw. Überstromschutz, während man bei den späteren isolierten und auf Modulatoren basierenden Strommesskonzepten dies direkt über einen schnellen, groben Filter implementiert [4]. Dies verlangt ein genaues Timing für das isolierte Modulatorverhalten und kurze Laufzeitverzögerungen im Gate-Treiber. Die iCoupler-Technologie von Analog Devices ermöglicht dies. Herkömmliche Lösungen mit Optokopplern hingegen neigen zu größeren Laufzeitverzögerungen.

Regulierende Rahmenbedingungen

Sobald eine Antriebsarchitektur entwickelt wurde, die die erforderliche Leistungsfähigkeit bietet, muss das System entsprechend den in der Industrie üblichen elektrischen Sicherheitsstandards ausgelegt werden. Es ist äußerst wichtig, die Isolationsanforderungen am Gate-Treiber und an den Strommessknoten zu verstehen, um die geeigneten Isolationsbauteile auswählen zu können. Jeder Knoten kann eine sichere Trennung (verstärkt), Basis- oder Funktions-Isolation aufweisen.

Die Anforderung an jedem Knoten kann eine Sicherheitsisolation zum Schutz des Menschen, eine Isolation zum Schutz von Niedervolt-Schaltkreisen oder eine Isolation hinsichtlich Datenintegrität und zur Abschwächung von Rauschen sein. Die Anforderung auf Systemebene lässt sich mit mehreren Isolationsbarrieren erreichen. Ein seit vielen Jahren bestehender Standard für Motorantriebe auf Systemebene, den das Antriebsdesign aus Gründen der Systemisolation erfüllen muss, ist die Norm IEC 61800-5-1. Allerdings sagt diese nichts über die Komponenten aus. Sie schlägt vor, dass Standards auf Komponentenebene, die den jeweiligen Systemstandard erfüllen, verwendet werden.

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Der Standard IEC 60747-5-5 adressiert Optokoppler-basierte Komponenten, während VDE 0884-10, eine Nicht-Opto-Isolator-Version von IEC 60747-5-5, seit 2006 Digitalisolatoren adressiert. Der Standard VDE 0884-11 wurde inzwischen um zusätzliche Anforderungen an die Lebensdauer erweitert und 2014 zugelassen. Dies wurde bei der IEC als IEC 60747-17 zur Zulassung eingereicht. Normalerweise hat dies einen Drei-Jahres-Zyklus. In der Zwischenzeit ist VDE 0884-11 als ein IEC-äquivalenter Standard verfügbar (Bild 5).

Mehr Präzision gefordert

Neue internationale Energieeffizienzvorschriften für Motoren beschleunigen den Übergang von Wechselstrom- oder Induktionsmotoren hin zu Maschinen mit Wechselrichtersteuerung. Eine gemeinsame Anforderung sind IGBT-Gate-Treiber und eine Art der Strommessung – mit einem Mindestmaß an Schutz in einfachen Open-Loop-Wechselrichtern bis zur leistungsstarken Stromsteuerung in Antrieben und Servos. Die Technologie-Anforderungen dieser Schaltkreise sind zunehmend auf Präzision ausgerichtet. Dies gilt in Sachen Timing und Messung sowie im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Robustheit. Signalisolation ist eine wesentliche Herausforderung sowohl bezüglich der Implementierung als auch für das Systemdesign innerhalb des gültigen Rechtsrahmens.

Literatur

[1] de Almeida, A.T.; Ferreira, F.J.T.E.; Baoming, G.: Beyond Induction Motors – Technology Trends to Move Up Efficiency. IEEE Transactions on industry applications, Vol. 50, No. 3, Mai/Juni 2014.
[2] ABB’s new SynRM² motor technology will deliver IE5 efficiency without rare earth magnets. ABB-Pressemeldung, 3. April 2014.
[3] O’Sullivan, D; Moroney, M.: Enhancing Industrial Motor Control performance Utilizing Digital Isolator Technology. MS-2758, Analog Devices 2014. www.analog.com.
[4] O’Byrne, N.: Measurement Techniques for Industrial Motion Control. MS-2652, Analog Devices 2014. www.analog.com.