Drehzahlgeregelte Antriebe für Industrie und Haushalt

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Sperrspannung: Die Wahl des Elektromotors bestimmt den zu seinem Betrieb erforderlichen DC-Bus. Zum Beispiel benötigt ein Rotor mit einer Nennspannung von 220 V zum Hochlaufen auf Volllast bei der Nenndrehzahl einen DC-Bus von ungefähr 320 V. Man sollte daher Transistoren aussuchen, deren Sperrspannung 1,5-mal höher liegt als die DC-Busspannung, um sicherzustellen, dass der Transistor während des Normalbetriebs nicht ausfällt. Infolge von Streuinduktivitäten, Überschwingen (Ringing) oder bei Kontrollverlust eines High-Speed-Motors können nämlich Spannungen auftreten, die höher sind als die des DC-Busses.

Maximaler Phasenstrom und maximale Schaltfrequenz: Die Berücksichtigung der Wärmeverhältnisse ist der wichtigste Faktor bei der Auswahl der Wechselrichtertransistoren. Das Erwärmen dieser Bausteine ist im Wesentlichen auf zwei Mechanismen zurückzuführen – Schaltverluste und Leitungsverluste. Größere (und teurere) Bausteine weisen geringere Leitungsverluste auf, doch sind diese Verluste mit den Kühlkörpern ins Verhältnis zu setzen. Ein Design muss demzufolge ein ausgewogenes Verhältnis bei den Kosten zwischen diesen beiden Einflussgrößen finden.

Darüber hinaus sind Schaltverluste direkt proportional zur PWM-Schaltfrequenz. Letztere beeinflusst viele Faktoren, darunter Regelbandbreite, akustische Störgeräusche, Drehmomentwelligkeit und elektromagnetische Störungen (EMI). Insbesondere IGBTs können in unterschiedliche Schaltgeschwindigkeitskategorien fallen. Ein Wechselrichter, der für trapezförmige Modulation entwickelt wurde, kann schnell schaltende IGBTs für die High-Side-Transistoren und langsamer schaltende IGBTs für die Low-Side-Transistoren einsetzen.

IGBT versus MOSFET: Die Wahl zwischen diesen beiden Bausteinen bezieht sich hauptsächlich auf die Spannung und den Leistungspegel. Bei Sperrspannungen von unter 250 V werden im Normalfall MOSFETs bevorzugt, und die IGBTs stehen dafür nicht wirklich zur Verfügung. Im Bereich 500 bis 600 V erzielen MOSFETs bei Leistungen von weniger als 200 W ein besseres Verhältnis von Kosten und Leistung. Höhere Leistungen tendieren eher zu IGBTs, die auch bei Sperrspannungen von 1200 V und darüber bevorzugt einzusetzen sind.

Wenn man die Entwicklung auf einen definierten maximalen Phasenstrom auslegt, dann sind MOSFETs üblicherweise teurer als IGBTs. Doch haben beide Halbleitertypen an dieser Stelle einen vergleichbaren Wirkungsgrad, kann die MOSFET-Schaltung mit geringeren Verlusten punkten, wenn das System mit geringerer Leistung läuft. Das ist besonders dann von Bedeutung, wenn bestimmte von der Gesetzgebung vorgegebene Richtlinien in beispielsweise Klimaanlagen eingehalten werden müssen.

Niederspannungstransistoren für kleine Wechselrichter brauchen möglicherweise keinen Gatetreiber. Bei höheren Spannungen sorgt ein Gateansteuerungs-IC für eine Pegelverschiebung auf das Gate des High-Side-Transistors und kann Strom für die Baustein-Gates beziehen, um sie rasch einzuschalten.

Im Zuge des Technologiefortschritts sind mittlerweile zahlreiche andere Features in Gateansteuerungen erhältlich, darunter Strommessung, Überstromschutz, Shoot-Through- sowie Entsättigungsschutz. Bild 2 (Tabelle) zeigt einige dieser Eigenschaften mit ihrem jeweiligen Zweck.

Beim Leiterplatten-Layout für die Leistungselektronik gibt es grundsätzliche Regeln, von denen einige in Bild 3 so sehen sind. Die Stromversorgungsrückleitungen sowie die Rückleitung vom Kondensator des DC-Busses zum Wechselrichter sollten kurz sein. Das reduziert die Streuinduktivität und verhindert ein Überschwingen der Leistungsstufe.

Bei der Verlegung von Sensorleitungen eines Shunt-Widerstandes sind diese möglichst so zu routen, dass sie (um Rauschen zu verringern) von Leiterbahnen mit hohem Strom sowie Schaltknoten mit hoher Spannung möglichst fern bleiben.

Man sollte dedizierte Leiterbahnen von beiden Seiten des Shunt verwenden (als Kelvin-Klemme bezeichnet) und diese eng nebeneinander legen. Dadurch wird der Schleifenbereich minimiert und induzierte Ströme werden unterbunden. Die Leiterbahn für das Gate des High-Side-Transistors sollte vom Gate- treiber nahe an die Leiterbahn des Schaltknotens gelegt werden, der als Rückleitung dient. Diese Vorkehrung minimiert die induktive Schleife und trägt dazu bei, ein unerwünschtes Einschalten des High-Side-Transistors zu verhindern, wenn große Ströme fließen.

Vor- und Nachteile von fertigen Modulen

Viele Hersteller integrieren das gesamte dreiphasige Wechselrichtersystem in einem einzigen Gehäuse oder Modul. Bis zu 30 diskrete Bauelemente können enthalten sein, einschließlich der Transistoren und der Gate- treiber. Sie vereinfachen den Prozess der Wechselrichterentwicklung. Module zeichnen sich durch viele Vorteile aus, beispielsweise sind das ein zuverlässiges, bewährtes Layout der Leistungsstufe, vereinfachte und zugleich kürzere Entwicklungszyklen, integrierte Temperaturüberwachung und eingebaute Schutzvorrichtungen. Weiterhin sind das isolierte Substrat und ein optimierter Wärmepfad mit gleichmäßiger Hitzeversteilung von großem Nutzen.

Der Hauptnachteil bei der Verwendung eines Moduls liegt darin, dass sie im Allgemeinen teurer sind als der Erwerb diskreter Bauelemente. Allerdings wiegen eine kleinere Leiterplattenfläche, eine verbesserte Zuverlässigkeit sowie einfachere Beschaffung, Lagerhaltung und Fertigung einen Teil der höheren Kosten wieder auf. Die IRAM-Modulfamilie von International Rectifier beispielsweise haben sich in vielen Unternehmen, die Haushaltsgeräte entwickeln und herstellen, bewährt.

Motor-Controller: Der wesentlichste Zweck der Mikrocontroller besteht in der Bereitstellung der Schaltsignale an die Gateansteuerung zur Regelung des Wechselrichters. Außerdem können sie, in Abhängigkeit von der Art der Steuerung, Analogsignale in digitale Werte wandeln, Rückkopplungssignale verarbeiten, Fehlerbedingungen erkennen und sowohl Drehzahl als auch Drehmoment, Kraftfluss und/oder Strom im Motor regeln.

Weil viele universelle Mikroprozessoren sich zur Motorsteuerung einsetzen lassen, bieten deren Hersteller häufig grundlegende Software an. Die Bauteile der iMotion-Serie von International Rectifier stellen eine leistungsstarke Motion Control Engine mit der gesamten Peripherie einschließlich der nötigen Algorithmen zur Verfügung, um ein Motorsteuersystem hoher Leistungsfähigkeit zu entwickeln.

Ausblick: Es kommen neue Halbleitermaterialien wie Gallium-Nitrid (GaN) und Silizium-Carbid (SiC) auf den Markt. Sie haben das Potenzial, Silizium für Leistungselektronik abzulösen. Doch hält Silizium mit den Vorteilen einer langjährigen Forschung, Entwicklung und Infrastruktur dagegen. Gleichwohl wird sich die weitere Integration der Inverter-Bauelemente fortsetzen. Sei es durch innovatives Packaging, das mehr Funktionen in Module unterbringt, oder durch höhere Intelligenz in der Gate-Ansteuerungen. Mit dem Ziel, die gesamte Motorsteuerung monolithisch zu integrieren. Vorläufig jedoch ist keine neue Topologie in Sicht, welche die zahlreichen Vorteile des dreiphasigen Wechselrichters herausfordern kann.

* * Ali Husain ist System Development Manager bei International Rectifier Corporation, El Segundo/Kalifornien

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