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Optimierte Potentialtrennung fuer Frequenzumrichter

IP.com Disclosure Number: IPCOM000031250D
Original Publication Date: 2004-Oct-25
Included in the Prior Art Database: 2004-Oct-25
Document File: 3 page(s) / 100K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

In einem Frequenzumrichter sind Stromversorgungen und Potentialtrennungen von digitalen Signalen erforderlich. Die Abbildung 1 zeigt exemplarisch einen Spannungszwischenkreisumrichter mit IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Zur Ansteuerung der einzelnen IGBTs muessen diese mit einer Steuerspannung von beispielsweise 15V ein- und ausgeschaltet werden. Diese Steuerspannung muss fuer jeden IGBT auf dessen Emitterpotential zur Verfuegung gestellt werden. Daher ist es erforderlich, einen potentialtrennenden Uebergang zwischen dem Steuersignal und dem Gate-Anschluss des IGBTs zu schaffen. Ein weiteres Beispiel fuer eine Potentialtrennung ist die Erfassung der Ausgangsstroeme, sofern diese potentialgebunden, z.B. mittels eines sog. Shunts, erfolgt. Bei der Potentialtrennung besteht das Problem, dass mit steigender Spannung ein erhoehter Aufwand (technisch und finanziell) entsteht. Zudem ist die Anforderung an eine sichere Trennung (z.B. Beruehrschutz fuer einen Bediener) teurer als eine reine Funktionstrennung. Nach bisherigem Stand der Technik befindet sich der Mikrocontroller zumeist auf Erdpotential, da er Interfaces zum Bediener betreibt und beispielsweise einen Profibus-Anschluss besitzt. In allen Anwendungen befinden sich die IGBTs der Endstufe auf hohem Potential, da von ihnen die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters erzeugt wird. Fuer die Potentialtrennung der Information vom Mikrocontroller zur IGBT-Endstufe existieren folgende Topologien (s. a. Abbildungen 2 und 3):

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S

Optimierte Potentialtrennung fuer Frequenzumrichter

Idee: Dr. Hans-Georg Koepken, DE-Erlangen; Dr. Carsten Rebbereh, DE-Erlangen; Benno Weis,

DE-Erlangen

In einem Frequenzumrichter sind Stromversorgungen und Potentialtrennungen von digitalen Signalen erforderlich. Die Abbildung 1 zeigt exemplarisch einen Spannungszwischenkreisumrichter mit IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Zur Ansteuerung der einzelnen IGBTs muessen diese mit einer Steuerspannung von beispielsweise 15V ein- und ausgeschaltet werden. Diese Steuerspannung muss fuer jeden IGBT auf dessen Emitterpotential zur Verfuegung gestellt werden. Daher ist es erforderlich, einen potentialtrennenden Uebergang zwischen dem Steuersignal und dem Gate-Anschluss des IGBTs zu schaffen. Ein weiteres Beispiel fuer eine Potentialtrennung ist die Erfassung der Ausgangsstroeme, sofern diese potentialgebunden, z.B. mittels eines sog. Shunts, erfolgt. Bei der Potentialtrennung besteht das Problem, dass mit steigender Spannung ein erhoehter Aufwand (technisch und finanziell) entsteht. Zudem ist die Anforderung an eine sichere Trennung (z.B. Beruehrschutz fuer einen Bediener) teurer als eine reine Funktionstrennung.

Nach bisherigem Stand der Technik befindet sich der Mikrocontroller zumeist auf Erdpotential, da er Interfaces zum Bediener betreibt und beispielsweise einen Profibus-Anschluss besitzt. In allen Anwendungen befinden sich die IGBTs der Endstufe auf hohem Potential, da von ihnen die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters erzeugt wird. Fuer die Potentialtrennung der Information vom Mikrocontroller zur IGBT-Endstufe existieren folgende Topologien (s. a. Abbildungen 2 und 3):

* Steuersatz geerdet Hier befindet sich der Baustein zur Erzeugung der Ansteuerpulse auf dem gleichen Potential wie der Mikrocontroller, so dass eine Potentialtrennung zwischen den beiden Bausteinen nicht erforderlich ist. Am Ausgang des Steuersatz-ICs werden die Ansteuersignale durch eine Potentialtrennung auf das Potential der IGBTs uebertragen. Da sich der Steuersatz-IC auf beruehrbarem Potential befindet, ist diese Potentialtrennung als sichere Trennung auszulegen. Dies gilt auch fuer die Potentialtrennung der Stromversorgung der IGBTs sowie die Stromversorgung und Informationsuebertragung der Strommessung. Das erforderliche Spannungsniveau dieser sicheren Potentialtrennung wird von der Netzspannung bestimmt, an der der Umrichter betrieben wird. Von Vorteil ist hier, dass eine Potentialtrennung zwischen Mikrocontroller und Steuersatz-IC nicht erforderlich ist. Von Nachteil jedoch ist, dass sehr viele Potentialtrennungen fuer sichere Trennung ausgelegt werden muessen, welche zudem noch mit Spannungssteilheiten beaufschlagt werden muessen.

* Steuersatz auf Zwischenkreispotential

Bei dieser Topologie wird die sichere Trennung nur an einer Stelle zwischen Mikrocontroller und Steuersatz-IC realisiert. Dazu wird der Steuersatz-IC auf dem Potential der negativen Zwischenkreisspannung angeordnet. Die anschli...