Automobil- und Industrieendger?te wie Motorantriebe, Strang-Inverter und Onboard-Ladeger?te 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 gew?hrleisten, indem sie diese vor dem Hochspannungsschaltkreis schützen, der eine Funktion ausführt.

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

Dieses Dokument enth?lt Anleitungen zur Auswahl des richtigen isolierten Verst?rkers durch Auswertung von drei g?ngigen Spannungsmessungen in einem Endger?t mit AC-Motorantrieb.

Das erste Kriterium ist die erforderliche Isolierungsspezifikation; [1] behandelt die relevanten Isolierungsdefinitionen. Trennverst?rker und Modulatoren von Texas Instruments (TI) werden in der Regel auf Basis- oder verst?rkten Isolierungsstufen gem?? Standards auf Bausteinebene wie dem Deutschen Institut für Normung e.V. (DIN), dem Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) 0884-17, DIN Europ?ische 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 h?ngen vom Standort des in der Anwendung gemessenen Spannungsknotens ab. Abbildung 130 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 Verst?rker sind aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und einfachen Handhabung hervorragende Bausteine für diese Messungen.

Auf der linken Seite von Abbildung 130 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 ben?tigt. Wenn Sie das Wechselstromnetz messen m?chten, sollten Sie Ger?te 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, k?nnen Sie für alle drei isolierten Verst?rker, die die Messung durchführen, eine einzelne isolierte Stromversorgung verwenden. Wenn Sie dreiphasige AC-Spannungsmessungen von Phase zu Phase durchführen, sollten Sie ein Ger?t mit integriertem C/DC-Wandler verwenden, um das Design zu vereinfachen. Abbildung 131 zeigt den entsprechenden AMC3330-Schaltplan.

Zur Berechnung des Tastverh?ltnisses 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 130 .

W?hrend 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 erm?glicht eine schnellere Reaktion auf überspannungsereignisse und erm?glicht es dem System, n?her an den Grenzen der Hardware zu arbeiten. Dies erm?glicht engere Designmargen und niedrigere Systemkosten. Die DC-Link-Kapazit?t betr?gt 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 Ger?ts ordnungsgem?? auf ein sicheres Niveau entladen wurde. Darüber hinaus erm?glichen hochaufl?sende AC-Rippelmessungen einen Phasenverlust des angeschlossenen Wechselstromnetzes, wodurch m?glicherweise keine separate netzseitige Phasenmessung erforderlich ist. Die Frequenz der Rippelspannung betr?gt 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 Gr??e der Rippelspannung sehr gering sein; daher k?nnen Sie für Messungen mit h?chster Aufl?sung einen Modulator bevorzugen. Weitere Informationen zu isolierten Verst?rkern im Vergleich zu isolierten Modulatoren finden Sie unter [3]. Isolierte Verst?rker 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 ben?tigen eine lokale Stromversorgung mit Gleichspannungsbezug, um die Hochspannungsseite wie den in gezeigten isolierten Transformatorschaltkreis mit Strom zu versorgen Abbildung 132. Alternativ kann ein Baustein wie der AMC3330 mit integriertem DC/DC-Wandler verwendet werden.

Durch die Messung der tats?chlichen Phasenspannung anstatt der Sch?tzung der Phasenspannung anhand der DC-Link-Messung und des PWM-Tastverh?ltnisses wird die Leistung sensorloser AC-Motorantriebe weiter verbessert. Die direkte Messung der Phasenspannung führt zu einem pr?ziseren 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 Verst?rkern mit unipolarem Eingang und einer einzelnen isolierten Stromversorgung (wie in Abbildung 132 gezeigt) zu messen, um die High-Side für alle drei isolierten Verst?rker 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 Verst?rker mit einem bipolaren Eingangsbereich und minimalem zus?tzlichen Aufwand auf der Firmware-Seite. Die beiden Messungen werden in Bezug auf eine der Phasenspannungen durchgeführt, bei der die isolierten Verst?rker von der potenzialfreien Highside-Gate-Treiber-Versorgung des oben isolierten Gate-Bipolartransistors (IGBT) mit Strom versorgt werden müssen, wie in Abbildung 133 gezeigt. Bausteine mit internen DC/DC-Wandlern wie der AMC3330 vereinfachen die Schaltung erheblich, was zus?tzliche Platzeinsparungen und eine h?here Systemeffizienz erm?glicht.

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

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

Die Auswahl eines Bausteins mit hoher Eingangsimpedanz und vernachl?ssigbarem Eingangsruhestrom aus den isolierten Spannungsmessverst?rkern von TI verringert den zur Bew?ltigung dieser Herausforderungen erforderlichen Aufwand erheblich. Es ist jedoch m?glich, eine hochgenaue Spannungsmessschaltung mit einem isolierten Verst?rker mit niedriger Eingangsimpedanz und Eingangsruhestrom zu entwerfen [5].

Isolierte Verst?rker mit einem gr??eren Eingangsbereich bieten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Eingangsrauschen und eine h?here Genauigkeit bei niedrigen Eingangspegeln. Allerdings weisen Bausteine mit h?herer Eingangsspannung oft eine niedrigere Eingangsimpedanz auf, siehe Tabelle 1, und erfordern eine Verst?rkungskalibrierung, um ein H?chstma? an Genauigkeit zu erreichen. Ein Eingabeger?t mit hoher Impedanz bietet eine h?here unkalibrierte Genauigkeit und reduziert den Entwicklungsaufwand. Weitere Informationen zum Vergleich der im Datenblatt angegebenen Genauigkeit mit den typischen und maximalen Fehlerberechnungen von isolierten TI-Verst?rkern finden Sie unter [6].