1 Einführung

Automobil- und Industrieendgeräte wie Motorantriebe, Strang-Inverter und Onboard-Ladegeräte arbeiten mit hohen Spannungen, die für die direkte Interaktion mit Menschen nicht sicher sind. Isolierte Spannungsmessungen helfen, den Betrieb zu optimieren und die Sicherheit von Menschen zu gewährleisten, indem sie diese vor dem Hochspannungsschaltkreis schützen, der eine Funktion ausführt.

Für hohe Leistung entwickelte isolierte Verstärker übertragen Spannungsmessdaten über eine Isolationsbarriere. Die Kriterien zur Auswahl eines isolierten Verstärkers umfassen Isolationsspezifikationen, den Eingangsspannungsbereich, Genauigkeitsanforderungen und die Art und Weise, wie Sie die Hochspannungsseite mit Strom versorgen möchten – ein Punkt, den die Messung in der Anwendung oft beeinflussen wird.

Dieses Dokument enthält Anleitungen zur Auswahl des richtigen isolierten Verstärkers durch Auswertung von drei gängigen Spannungsmessungen in einem Endgerät mit AC-Motorantrieb.

Das erste Kriterium ist die erforderliche Isolierungsspezifikation; [1] behandelt die relevanten Isolierungsdefinitionen. Trennverstärker und Modulatoren von Texas Instruments (TI) werden in der Regel auf Basis- oder verstärkten Isolierungsstufen gemäß Standards auf Bausteinebene wie dem Deutschen Institut für Normung e.V. (DIN), dem Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) 0884-17, DIN Europäische Norm (EN) International Electrotechnical Commission (IEC) 60747-17, bewertet und zertifiziert. und Underwriters Laboratories (UL) 1577. Weitere Informationen finden Sie im bausteinspezifischen Datenblatt und in [2].

Die Auswahl des Eingangsspannungsbereichs, der Genauigkeitsanforderung und die Auswahl der für die Hochspannungsseite geeigneten Stromversorgungsmethode hängen vom Standort des in der Anwendung gemessenen Spannungsknotens ab. Abbildung 1 Ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines AC-Motorantriebs mit den drei üblichen Stellen für Spannungsmessungen: Das Wechselstromnetz links, das Gleichstromglied in der Mitte und die Motorphase rechts. Isolierte Verstärker sind aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und einfachen Handhabung hervorragende Bausteine für diese Messungen.

Abbildung 1 Eine AC-Motorantriebsanwendung.

Auf der linken Seite von Abbildung 1 ist zu sehen, dass der AC-Netzeingang oft als dreiphasiges, mittig geerdetes Stromversorgungssystem mit Spannungen von 120 V_RMS /208 V_RMS in den USA und 230 V_RMS /400 V_RMS in Europa angeschlossen ist. Die für diese Spannungsmessung erforderliche Genauigkeit ist in der Regel niedrig und wird nicht immer benötigt. Wenn Sie das Wechselstromnetz messen möchten, sollten Sie Geräte mit einem bipolaren Hochimpedanzeingang wie den AMC1350 oder AMC3330 von TI in Betracht ziehen. Wenn Sie dreiphasige AC-Spannungsmessungen in Bezug auf die Neutralleiterspannung vornehmen, können Sie für alle drei isolierten Verstärker, die die Messung durchführen, eine einzelne isolierte Stromversorgung verwenden. Wenn Sie dreiphasige AC-Spannungsmessungen von Phase zu Phase durchführen, sollten Sie ein Gerät mit integriertem C/DC-Wandler verwenden, um das Design zu vereinfachen. Abbildung 2 zeigt den entsprechenden AMC3330-Schaltplan.

Abbildung 2 Der AMC3330 isolierte Verstärker mit einem internen DC/DC-Wandler.

Zur Berechnung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation (PWM) in einem Motorantrieb muss in der Regel die DC-Link-Spannung gemessen werden, die in der Mitte von mit einer Genauigkeit von 1 % oder besser angezeigt wird Abbildung 1 .

Während des Bremsbetriebs steigt die Gleichstromverbindungsspannung und muss aktiv begrenzt werden, um beispielsweise die Leistungsstufe durch Einschalten einer Nutzbremse zu schützen. Eine Messung mit kurzer Latenzzeit ermöglicht eine schnellere Reaktion auf Überspannungsereignisse und ermöglicht es dem System, näher an den Grenzen der Hardware zu arbeiten. Dies ermöglicht engere Designmargen und niedrigere Systemkosten. Die DC-Link-Kapazität beträgt in der Regel mehrere 100 µF. Daher erfordert es genaue Messungen bei niedrigen Spannungen (<100 V), um festzustellen, ob der DC-Link-Kondensator vor der Wartung des Geräts ordnungsgemäß auf ein sicheres Niveau entladen wurde. Darüber hinaus ermöglichen hochauflösende AC-Rippelmessungen einen Phasenverlust des angeschlossenen Wechselstromnetzes, wodurch möglicherweise keine separate netzseitige Phasenmessung erforderlich ist. Die Frequenz der Rippelspannung beträgt entweder 360 Hz bei einer 60 Hz-Dreiphasen-Netzspannung oder 300 Hz bei einer 50 Hz-Dreiphasen-Netzspannung, da sechs Halbwellen gleichgerichtet werden. Bei einer niedrigen Last (wenn sich der Motor nicht dreht) kann die Größe der Rippelspannung sehr gering sein; daher können Sie für Messungen mit höchster Auflösung einen Modulator bevorzugen. Weitere Informationen zu isolierten Verstärkern im Vergleich zu isolierten Modulatoren finden Sie unter [3]. Isolierte Verstärker mit unipolaren Eingangsbereichen wie der AMC1351 von TI (mit einem Eingangsbereich von 0 bis 5 V) oder der AMC1311 (mit einem Eingangsbereich von 0 bis 2 V) sind speziell für DC-Link-Spannungsmessungen ausgelegt. Sie benötigen eine lokale Stromversorgung mit Gleichspannungsbezug, um die Hochspannungsseite wie den in gezeigten isolierten Transformatorschaltkreis mit Strom zu versorgen Abbildung 3. Alternativ kann ein Baustein wie der AMC3330 mit integriertem DC/DC-Wandler verwendet werden.

Abbildung 3 Der AMC1311 isolierte Verstärker mit einem diskreten isolierten Transformatorschaltkreis.

Durch die Messung der tatsächlichen Phasenspannung anstatt der Schätzung der Phasenspannung anhand der DC-Link-Messung und des PWM-Tastverhältnisses wird die Leistung sensorloser AC-Motorantriebe weiter verbessert. Die direkte Messung der Phasenspannung führt zu einem präziseren Ergebnis, da alle Verluste im System sowie die Auswirkungen der PWM-Totzeitverzerrung berücksichtigt werden. Eine Methode besteht darin, alle drei Phasen in Bezug auf die DC-Schiene mit drei isolierten Verstärkern mit unipolarem Eingang und einer einzelnen isolierten Stromversorgung (wie in Abbildung 3 gezeigt) zu messen, um die High-Side für alle drei isolierten Verstärker zu versorgen.

Eine alternative Methode, die Hardwarekosten spart, besteht darin, nur zwei Phasen-zu-Phasen-Spannungen zu messen und die dritte zu berechnen. Diese Methode erfordert nur zwei isolierte Verstärker mit einem bipolaren Eingangsbereich und minimalem zusätzlichen Aufwand auf der Firmware-Seite. Die beiden Messungen werden in Bezug auf eine der Phasenspannungen durchgeführt, bei der die isolierten Verstärker von der potenzialfreien Highside-Gate-Treiber-Versorgung des oben isolierten Gate-Bipolartransistors (IGBT) mit Strom versorgt werden müssen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Bausteine mit internen DC/DC-Wandlern wie der AMC3330 vereinfachen die Schaltung erheblich, was zusätzliche Platzeinsparungen und eine höhere Systemeffizienz ermöglicht.

Abbildung 4 Der AMC1350 isolierte Verstärker mit potenzialfreier Stromversorgung.

Für jede dieser Spannungsmessungen muss ein Widerstandsteiler den Hochspannungsknoten herunterskalieren, um dem Eingangsbereich des isolierten Verstärkers zu entsprechen [4]. Es gibt drei häufige Herausforderungen beim Design eines Widerstandsteiler-Schaltkreises:

• Der Eingangsruhestrom des isolierten Verstärkers, der durch den Messwiderstand fließt und einen Offsetfehler erzeugt.
• Der Messwiderstand ist parallel mit der Eingangsimpedanz des isolierten Verstärkers, wodurch der effektive Messwiderstand reduziert und ein Verstärkungsfehler erzeugt wird. Darüber hinaus kann die Eingangsimpedanz des isolierten Verstärkers aufgrund von Prozessschwankungen von Gerät zu Gerät ±20 % variieren und als Verstärkungsfehler angezeigt werden, wenn diese nicht berücksichtigt werden.
• Temperaturdrift sowohl im Widerstandsteiler als auch in der Eingangsimpedanz des isolierten Verstärkers.

Die Auswahl eines Bausteins mit hoher Eingangsimpedanz und vernachlässigbarem Eingangsruhestrom aus den isolierten Spannungsmessverstärkern von TI verringert den zur Bewältigung dieser Herausforderungen erforderlichen Aufwand erheblich. Es ist jedoch möglich, eine hochgenaue Spannungsmessschaltung mit einem isolierten Verstärker mit niedriger Eingangsimpedanz und Eingangsruhestrom zu entwerfen [5].

Isolierte Verstärker mit einem größeren Eingangsbereich bieten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Eingangsrauschen und eine höhere Genauigkeit bei niedrigen Eingangspegeln. Allerdings weisen Bausteine mit höherer Eingangsspannung oft eine niedrigere Eingangsimpedanz auf, siehe Tabelle 1, und erfordern eine Verstärkungskalibrierung, um ein Höchstmaß an Genauigkeit zu erreichen. Ein Eingabegerät mit hoher Impedanz bietet eine höhere unkalibrierte Genauigkeit und reduziert den Entwicklungsaufwand. Weitere Informationen zum Vergleich der im Datenblatt angegebenen Genauigkeit mit den typischen und maximalen Fehlerberechnungen von isolierten TI-Verstärkern finden Sie unter [6].