Messtechnische Grundlagen eines PWM-Motortreibers

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Caltest Instruments GmbH

Antiparallel geschaltete Dioden

Wird der IGBT abgeschaltet, so wird er mit einer von den Motorwicklungen erzeugten Gegen-EMK konfrontiert, die eine sehr hohe und potenziell schädliche Spannung an seiner Sperrschicht hervorrufen kann. Als Abhilfe gegen dieses Problem kommen antiparallel geschaltete Dioden zum Einsatz, die bei gesperrtem IGBT einen Stromfluss von der Motorwicklung in den Gleichspannungs-Zwischenkreis ermöglichen. Die Gegen-EMK ist das Ergebnis der Relativbewegung zwischen dem stromdurchflossenen Anker und einem externen Magnetfeld. Die Gegen-EMK ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Ankers und hat die entgegengesetzte Polarität wie die vom Wechselrichter angelegte Spannung.

Bild 5 verdeutlicht, wie der Strom bei eingeschaltetem IGBT fließt. Wie man sieht, besteht hier keine Potenzialdifferenz zwischen dem Gleichspannungs-Zwischenkreis und dem motorseitigen Anschluss der antiparallelen Diode. Der Strom fließt deshalb über den IGBT an die Motorwicklung.

Große Gegen-EMK

Anders ist die Situation in Bild 6 bei gesperrtem IGBT. Wie man sieht, kann die Gegen-EMK, die durch die zusammenbrechenden Felder in der Motorwicklung hervorgerufen wird, recht große Ausmaße annehmen. Das Potential am motorseitigen Anschluss der Diode ist wesentlich größer als das am Gleichspannungs-Zwischenkreis. Die Diode leitet die Energie ab.

Ohne diesen Stromweg würde sich an der IGBT-Sperrschicht eine so hohe Potenzialdifferenz aufbauen, dass das Bauelement unter Umständen zerstört wird. Wenn die in Bild 3 unten eingezeichneten IGBTs sperren, tritt der gleiche Effekt auf – allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen, da die Motorwicklungen an die 0-V-Leitung des Gleichspannungs-Zwischenkreises angeschlossen sind.

Um die Motorwicklungen zu bestromen und die Drehzahl und das Drehmoment des Motors anzuheben, müssen die Frequenz der Modulation und die Spannung der Wechselrichterstufe (durch Anheben des durchschnittlichen Tastverhältnisses) gesteigert werden. Der Grund hierfür ist die Beziehung zwischen Gegen-EMK und Motordrehzahl. Beide sind proportional zueinander: je höher also die Drehzahl wird, umso mehr wächst auch die Gegen-EMK. Damit weiter ein Strom fließt (und ein Drehmoment erzeugt wird), muss deshalb dafür gesorgt werden, dass die Versorgungsspannung für die Motorwicklungen größer ist als die Gegen-EMK.

Alle Frequenzkomponenten berücksichtigen

Bekanntermaßen setzt sich ein Rechtecksignal aus vielen Oberwellen zusammen. Ebenso weiß man, dass phasengleiche Spannungs- und Stromkomponenten in Wirkleistung resultieren. Die wirkliche Ausgangsleistung eines PWM-Systems kann daher nur bestimmt werden, wenn die verwendete Messtechnik die entsprechenden Signale über einen Frequenzbereich messen kann, der alle vorkommenden Frequenzkomponenten einschließt.

Bild 7 zeigt die Ergebnisse realer Spannungs- und Strommessungen an einer PWM-Wechselrichter-Treiberstufe mit einer nominellen Trägerfrequenz von 18 kHz und einer Grundfrequenz von 50 Hz. Wie zu erwarten war, weisen die Oberwellenprofile von Strom und Spannung Unterschiede auf. Oberwellen geringer Ordnung und Frequenzpunkte in der Umgebung der Trägerfrequenz enthalten jedoch sowohl Spannungs- als auch Stromkomponenten. Diese Komponenten tragen somit zur Gesamtleistung bei und sollten deshalb bei Messungen, mit denen die Gesamtleistung oder der Wirkungsgrad eines Systems quantifiziert werden soll, stets berücksichtigt werden.

* Francois Epp ist Geschäftsführer der Caltest Instruments GmbH in Achern und Stuart Chappell ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK.

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