Abbildung 1 zeigt ein typisches Blockdiagramm eines Leistungswandlers in einer AC-Motorsteuerung. Er besteht aus einem Wechselrichter, der die Gleichspannung des Zwischenkreises in Wechselstrom mit variabler Frequenz umwandelt, um den Motor anzusteuern. IGBTs sind die teuren Leistungsschalter, die das Herzstück des Wechselrichters bilden. Diese Leistungshalbleiter müssen mit hoher Frequenz arbeiten und hohen Spannungen standhalten.
Trennverstärker, wie der in Abbildung 1 (siehe Detailansicht) dargestellte ACPL-C79A, arbeiten mit Shunt-Widerständen zusammen, um auch bei hohem Schaltrauschen präzise Strommessungen in Leistungswandlern zu ermöglichen. In Verbindung mit einem Spannungsteiler fungieren die Trennverstärker als präzise Stromsensoren zur Überwachung der Zwischenkreisspannung. Die Strom- und Spannungsinformationen der Trennverstärker werden vom Mikrocontroller erfasst, der die Daten zur Berechnung der Rückwerte und Ausgangssignale verwendet, die für eine effektive Steuerung und Fehlerbehandlung der Leistungswandler erforderlich sind.
Anforderungen an den Fehlerschutz:
In einem Wechselrichter sind IGBTs die teuersten Bauteile. Daher ist ein maximaler Schutz vor potenziellen Schäden unerlässlich. Trennverstärker ermöglichen die schnelle Erkennung von Fehlerzuständen, und die vom Mikrocontroller ausgeführten Algorithmen verhindern, dass diese Zustände zum Ausfall der IGBTs führen. Darüber hinaus verhindert die optische Isolation in den Verstärkern, dass Fehlerzustände den Mikrocontroller überlasten und zu dessen Ausfall führen.
Der Schutz von IGBTs muss jedoch kosteneffektiv sein – der Markt verlangt weiterhin einen ausreichenden Schutz vor Fehlerzuständen, ohne die Gesamtkosten des Motorsteuerungssystems wesentlich zu beeinflussen. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, wurden IGBT-Gate-Schaltungstreiber (wie der ACPL-332J [1]) und Stromsensoren mit Schutzfunktionen zur grundlegenden Fehlererkennung zusätzlich zu ihren Steuerungs- und Erkennungsfunktionen eingeführt. Diese Produkte bieten eine kostengünstige Lösung für den IGBT-Schutz und machen separate Erkennungs- und Rückkopplungskomponenten überflüssig. Details zu den in Gate-Schaltungstreibern integrierten Schutzfunktionen und deren Implementierung finden Sie in den Referenzen [1] und [2]. Im Folgenden werden einige der mit Strom-/Spannungssensoren realisierbaren Fehlerschutzfunktionen vorgestellt (siehe Tabelle 1).
Überstromerkennung:
Überstromzustände in einem IGBT können durch Kurzschlüsse zwischen zwei Phasen, Kurzschlüsse zwischen Leiter und Erde oder Kurzschlussströme verursacht werden. Trennverstärker mit Shunt-Stromerkennungseinrichtungen an den Ausgangsphasen und dem Zwischenkreis ermöglichen neben der Strommessung auch die Fehlererkennung (siehe Abbildung 1). Die Kurzschlussüberlebensdauer gängiger IGBTs ist auf maximal 10 ms begrenzt [3, 4]. Um einen wirksamen Schutz zu gewährleisten, darf dieser Grenzwert nicht überschritten werden. Innerhalb dieses Zeitraums muss der Fehler erkannt, an die Steuerung zurückgemeldet und die Abschaltprozedur abgeschlossen sein. Trennverstärker nutzen verschiedene Verfahren, um diese Anforderung zu erfüllen.
Beispielsweise zeichnet sich der ACPL-C79A durch eine schnelle Ansprechzeit von 1,6 µs bei einem gesprungenen Eingangssignal aus. Dadurch kann der Verstärker Transienten bei Kurzschluss- und Überlastbedingungen erfassen (siehe Abbildung 2) [5]. Die Laufzeitverzögerung vom Eingangssignal zum Ausgangssignal beträgt lediglich 2 µs, während das Ausgangssignal nur 2,6 µs benötigt, um das Eingangssignal einzuholen und 90 % des Endpegels zu erreichen.
Neben der schnellen Ansprechzeit bietet der ACPL-C79A eine Verstärkungsgenauigkeit von ±1 %, eine ausgezeichnete Nichtlinearität von 0,05 % und ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 60 dB. Alternativ sind auch der ACPL-C79B mit einer höheren Verstärkungsgenauigkeit von ±0,5 % und der ACPL-C790 mit einer Verstärkungstoleranz von ±3 % erhältlich. Alle Bausteine der ACPL-C79A-Familie sind für eine maximale Isolationsspannung von 1230 V zertifiziert und unterdrücken Gleichtaktstörungen bis zu 15 kV/µs. Diese Eigenschaften werden in einem SO-8-Gehäuse realisiert, das 30 % kleiner ist als das Standard-DIP-8-Gehäuse.
Ein weiteres Beispiel ist der HCPL-788J, der einen anderen Ansatz zur schnellen Erkennung von Überströmen verfolgt (Abbildung 3) [6, 7]. Zusätzlich zum Ausgangssignal verfügt er über ein Fehlersignal, das bei einem Überstromzustand schnell von High auf Low umschaltet. Dieser Isolationsverstärker bietet eine Messgenauigkeit von ±3 %.
Bei der Fehlerrückkopplungsauslegung ist die Vermeidung von Interferenzauslösungen ein wichtiger Aspekt. Interferenzauslösungen sind Fehlalarme, die die Fehlererkennung auslösen, obwohl kein offensichtlicher Fehler vorliegt, der die IGBTs beschädigen könnte. Um Fehlalarme zu verhindern, verfügt der HCPL-788J über eine Impulsdiskriminierungsschaltung, die den Einfluss von di/dt- und dv/dt-Fehlern effektiv unterdrückt. Der Vorteil dieser Methode liegt in der Amplitudenunabhängigkeit der Unterdrückung. Dadurch kann die Fehlerschwelle deutlich niedriger eingestellt werden, ohne das Risiko von Interferenzauslösungen zu erhöhen.
In der Implementierung der Schaltung zur schnellen Fehlererkennung werden im Fehlererkennungsblock zwei Komparatoren zur Erkennung negativer und positiver Fehlerschwellenwerte eingesetzt. Die Schaltschwelle entspricht der 256 mV-Referenzspannung des Sigma-Delta-Modulators. Die Ausgänge dieser Komparatoren sind mit Unterdrückungsfiltern mit einer Unterdrückungsperiode von 2 ms verbunden und werden anschließend an den Encoderblock weitergeleitet.
Um eine möglichst schnelle Übertragung des Fehlerzustands über die Isolationsgrenze hinweg zu gewährleisten, werden zwei unterschiedliche digitale Codierungssequenzen verwendet: ein Code für den negativen und ein weiterer für den positiven Pegel. Wird ein Fehler erkannt, wird die normale Datenübertragung über den optischen Kanal unterbrochen und der Bitstrom durch den Fehlercode ersetzt. Da diese beiden Fehlercodes deutlich vom normalen Codierungsbereich abweichen, erkennt der Decoder auf der Detektorseite die Codes sofort als Fehlerzustände [7].
Die Zeit, die der Decoder benötigt, um den Fehlerzustand über die Isolationsgrenze hinweg zu erkennen und zu melden, beträgt ca. 1 ms. Durch Hinzufügen der 400 ns Verzögerung zum Antialiasing-Filter ergibt sich eine Laufzeitverzögerung von 1,4 ms. Die Verzögerung zwischen dem Fehlerereignis und dem Fehlerausgangssignal entspricht der Summe aus Laufzeitverzögerung und Unterdrückungszeit (2 ms), was zu einer Gesamtfehlererkennungszeit von 3,4 ms führt (siehe Abbildung 4).
Der Fehlerausgang ermöglicht die Verknüpfung der Fehlersignale mehrerer Geräte, sodass mehrere Teile verdrahtet werden können, um ein einzelnes Fehlersignal zu erzeugen (siehe Abbildung 5, oben rechts) [6]. Dieses Signal kann dann verwendet werden, um die PWM-Eingänge direkt über den Controller zu deaktivieren.
Überlasterkennung
Ein Überlastzustand liegt vor, wenn der Motorstrom den Nennstrom des Geräts überschreitet, jedoch nicht so stark, dass der Umrichter oder der Motor unmittelbar von einem Ausfall bedroht ist, beispielsweise bei einer mechanischen Überlastung des Motors oder einem Motorstillstand infolge eines Lagerschadens.
Wechselrichter werden üblicherweise zusätzlich zu ihrer Nennleistung mit einer Überlastfähigkeit spezifiziert. Die Dauer dieser zulässigen Überlastfähigkeit hängt von der Zeitspanne ab, bevor Überhitzung zum Problem wird. Eine typische Überlastfähigkeit beträgt 150 % der Nennlast für bis zu einer Minute.
Der ACPL-C79A akzeptiert einen Eingangsspannungsbereich von ±300 mV, wobei die Datenblattangaben auf einem nominalen Eingangsspannungsbereich von ±200 mV basieren. Der Entwickler kann die Überlastschwelle flexibel auf einen dieser Werte oder einen Zwischenwert festlegen. Ist die Genauigkeit der Überlaststrommessung bei einer Schwelle nahe 300 mV weniger kritisch als die des normalen Betriebsstroms – was häufig der Fall ist –, ist dies eine gute Wahl, da so der volle Eingangsdynamikbereich des Trennverstärkers genutzt werden kann. Die Einstellung der Schwelle auf 200 mV gewährleistet hingegen die Genauigkeit der Überlaststrommessung. Nach Festlegung der Spannungspegel muss der Entwickler den passenden Wert des Messwiderstands entsprechend dem jeweiligen Strompegel wählen.
Der HCPL-788J verfügt über eine zusätzliche Funktion, den ABSVAL-Ausgang, der zur Vereinfachung der Überlasterkennungsschaltung genutzt werden kann. Die ABSVAL-Schaltung gleichrichtet das Ausgangssignal und liefert ein Ausgangssignal, das proportional zum Absolutwert des Eingangssignals gemäß folgender Formel ist:
ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252mV
Dieser Ausgang kann auch verdrahtet werden (Draht-OR-Verknüpfung). Werden drei sinusförmige Phasen des Motors kombiniert, ist der gleichgerichtete Ausgang (ABSVAL) im Wesentlichen ein Gleichstromsignal, das den Effektivwert des Motorstroms darstellt. Dieses Gleichstromsignal und ein Schwellwertkomparator können Motorüberlastungen erkennen, bevor es zu Schäden am Motor oder der Steuerung kommt (siehe unten rechts in Abbildung 5).
Überspannungserkennung:
Die Zwischenkreisspannung muss konstant gehalten werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann ein Motor als Generator wirken und über die Stromversorgung des Wechselrichters und/oder die Rückführungsdioden eine hohe Spannung in den Zwischenkreis zurückspeisen. Diese hohe Spannung addiert sich zur Zwischenkreisspannung und erzeugt einen sehr hohen Spannungsstoß an den IGBTs. Dieser Spannungsstoß kann die maximale Kollektor-Emitter-Spannung der IGBTs überschreiten und diese beschädigen.
Der Miniatur-Trennverstärker (ACPL-C79A) wird häufig als Spannungssensor in DC-Bus-Steuerungsanwendungen eingesetzt (Abbildung 6). Der Entwickler muss die DC-Bus-Spannung an den Eingangsspannungsbereich des Trennverstärkers anpassen, indem er die Werte von R1 und R2 im entsprechenden Verhältnis wählt.
Zusammenfassend
bieten die Isolationsverstärker von Avago Technologies neben ihrer Strom-/Spannungsmessfunktion eine effektive Methode zum Schutz von IGBTs vor Überstrom, Überlast und Überspannung. Durch die Verwendung dieser Bausteine in Kombination mit Multifunktions-Gate-Treibern wie dem ACPL-332J lässt sich ein kostengünstiges und dennoch umfassendes IGBT-Schutzsystem einfach realisieren.
Autor:
Von: Hong Lei Chen, Produktmanager, Avago Technologies
Referenzen
1. Datenblatt ACPL-332J, Avago Technologies, AV02-0120EN.
2. Hong Lei Chen und Chun Keong Tee, „Using gate drive Optocouplers in IGBT protections“, EETimes Europe, Dezember 2010, S. 28–31.
3. Terje Rogne, „Short-Circuit Capability of IGBT (COMFET) Transistors“, IEEE, 1988.
4. J. Li, R. Herzer, R. Annacker, B. Koenig, „Modern IGBT/FWD Chip Sets For 1200V Applications“, Semikron Elektronik GmbH, 2007.
5. Datenblatt ACPL-C79B, ACPL-C79A, ACPL-C790 Präzisionsminiatur-Isolationsverstärker. Avago Technologies, AV02-2460EN.
6. HCPL-788J Datenblatt, Avago Technologies, AV02-1546EN.
7. Patrick Sullivan, Denis Kobasevic, „Intelligenter Stromsensor für die Motorantriebssteuerung“. PCIM Europe, 1998, Band 10, Nr. 4, S. 182–186.
