Anwendungsvorteile digitaler Isolatoren in industriellen Motorantrieben
Elektronische Steuerungen in industriellen Motorantrieben müssen eine hohe Systemleistung in rauen elektrischen Umgebungen bieten. Die Stromversorgungsschaltung verursacht Spannungsspitzen an den Motorwicklungen, und diese Spannungsflanken können kapazitiv in die Niederspannungsschaltung eingekoppelt werden. In Leistungsschaltungen kann das nicht ideale Verhalten von Leistungsschaltern und parasitären Komponenten auch induktiv gekoppeltes Rauschen erzeugen. Das lange Kabel zwischen der Steuerschaltung und dem Motor und dem Sensor bildet eine Vielzahl von Pfaden, die Rauschen in das Rückkopplungssignal der Steuerung einkoppeln. Hochleistungs-Treiber erfordern eine Rückkopplungssteuerung mit hoher Wiedergabetreue und Signale, die von Stromkreisen mit hohem Rauschen getrennt werden müssen. In einem typischen Antriebssystem ist ein isoliertes Gatetreibersignal enthalten, um die Umrichter-, Strom- und Positionsrückkopplungssignale an die Motorsteuerung anzusteuern und Kommunikationssignale zwischen den verschiedenen Subsystemen zu isolieren. Wenn eine Signalisolation erreicht wird, darf die Bandbreite des Signalpfads nicht beeinträchtigt werden und die Systemkosten dürfen nicht wesentlich erhöht werden. Optokoppler sind die traditionelle Methode, um eine sichere Isolierung über die Isolationsbarriere hinweg zu erreichen. Obwohl Optokoppler seit Jahrzehnten verwendet werden, können deren Mängel die Leistung auf Systemebene beeinträchtigen.
Die weit verbreitete Verwendung von Motorantrieben mit variabler Geschwindigkeit in industriellen Anwendungen ist auf effiziente Leistungsschalter und kostengünstige elektronische Steuerschaltungen zurückzuführen. Die Konstruktionsschwierigkeit besteht darin, Hochleistungsschaltkreise mit Niederspannungssteuerkreisen zu koppeln, ohne die Störfestigkeit oder die Schaltgeschwindigkeit zu beeinträchtigen.
Moderne Schaltwechselrichter haben typischerweise Wirkungsgrade von über 95%, und die verwendeten Leistungstransistorschalter können auch mit den Motorwicklungen zwischen den Hoch- und Tiefschienen der Hochspannungs-Gleichstromschiene verbunden werden. Dieser Vorgang verringert den Verlust des Wechselrichters, da der Leistungstransistor im Vollsättigungsmodus arbeitet, wodurch der Spannungsabfall und der Leistungsverlust während der Leitung reduziert werden. Während des Schaltvorgangs tritt auch ein zusätzlicher Leistungstransistorverlust auf, da während dieser Zeit eine große Spannung am Transistor anliegt, während der Laststrom zwischen Hoch- und Niedrigleistungsvorrichtungen umschaltet. Um die Schaltverluste zu reduzieren, haben Leistungshalbleiterunternehmen Transistoren mit kürzeren Schaltzeiten wie IGBTs entwickelt. Diese höhere Schaltgeschwindigkeit führt jedoch auch zu unbrauchbaren Nebeneffekten, wie zum Beispiel einem erhöhten Schaltrauschen.
