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Die technische Lösung der Gate-Ansteuerung

Bild 3 zeigt die technische Lösung der Gate Ansteuerung mit der Isolation und Pegelanpassung für die Treiberstufe. Durch schnelles Schalten erzeugt der Leistungshalbleiter eine große Spannungsänderung innerhalb sehr kurzer Zeit und am oberen Gate können Transienten entstehen. Mit den Kapazitäten des unteren Gates und seiner Ansteuerung ist ein unbeabsichtigtes Wiedereinschalten des unteren Halbleiters zu befürchten. Dieser von Miller zuerst beobachtete Effekt ist unbedingt zu verhindern, denn im Fehlerfall wird die ganz Halbbrücke leitend. Abhilfe schafft eine zuschaltbare Miller-Clamp im Gate-Treiber für das sichere Ableiten der erzeugten Transiente.

Mit dem ADuM4135 steht ein neuer Gate-Treiber mit eingebauter Miller-Clamp und Erkennung von Desaturierungszuständen am Treiber zur Verfügung. Die Besonderheit des Gate-Treibers ist eine sehr geringe Durchlaufverzögerung von 55 ns durch die Isolationsbarriere und eine typische Serienstreuung von nur 15 ns. Zudem ist der Baustein mit 100 kV/µs sehr unempfindlich gegen leitungsgebundene Transienten (CMTI).

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Die Isolationsspannung liegt ebenfalls bei 5 kV und die Arbeitsspannung beträgt bis zu 849 V. Die Isolationsbarriere im Baustein erfüllt wie am Sigma-Delta-Modulator die Anforderungen einer verstärkten Isolation. Ergänzend zur Miller-Clamp kann auch eine bipolare Versorgung des Bausteins gewählt werden, welche den Ausgang mit einem negativen Pegel vorprägt und zusätzliche Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Einschalten schafft.

Die Summe der Eigenschaften ermöglicht die Kontrolle der Gates der Leistungshalbleiter mit hoher Genauigkeit und im Vergleich zu optischer Isolation die Ansteuerung mit sehr geringen Totzeiten. Bild 4a (links) zeigt die Verbesserungen der Sinus Rekonstruktion einer Motorspannung bei einer halbierten Totzeit von 500 ns im Vergleich zu 1 µs in Bild 4b, die in vielen Fällen für optische Isolatoren gewählt werden muss. Neben erhöhter Effizienz und geringeren Oberwellen im Strom erlaubt dies auch ein schnelleres Abschalten im Fehlerfall des Halbleiters.

Damit Umrichter und Antriebe mit den neuen Isolatoren ausgerüstet werden können, ist eine Anpassung der technischen Normen nötig. Bisherige Bauteil-Normen wie die Erstausgaben der VDE0884 und der IEC 60747 berücksichtigten nur optische Isolationsverfahren, boten aber keine technischen Grundlagen für andere Isolationsverfahren an. Durch die Aktualisierung und Freigabe der VDE0884-11 steht nun eine erste Richtlinie für Testkriterien anderer Isolationsarten bereit. Diese Fassung der VDE-Richtlinie dient auch als Grundlage für die Aktualisierung der internationalen Norm IEC60747-17, die als Entwurf vorliegt (Bild 5 Normung).

Neben der Norm für einzelne Isolationsbauteile ist auch die Sicherheitsvorschrift IEC 61800-5-1 für elektrische Antriebe wichtig, die gleichermaßen die Anforderungen an die Isolationsbarriere beschreibt. Diese Norm ist ebenfalls überarbeitet worden und sieht in der neuen Fassung für die sicherheitsrelevante, elektrische Isolation den Verweis auf national oder international vergleichbare Isolationsstandards für Bauteile vor. Somit können Systeme in den Markt eingeführt werden, die statt optischer Isolation neue, stark verbesserte Komponenten mit anderen Isolationsverfahren verwenden.

Analog Devices baut das Portfolio isolierter Komponenten wie Gate-Treiber, Stromsensorik oder Schnittstellenisolation weiter aus und wird auch künftig den steigenden Anforderungen an die Isolationsbarriere gerecht werden.

* Stefan Hacker Motor Control System Specialist bei Analog Devices, München.

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