Bauelemente einer Leistungsstufe überwachen und schützen

Um die Möglichkeiten einer Leistungsstufe über den vollen Temperaturbereich maximal auszuschöpfen, müssen der Feldeffekt-Transistor, der Schaltknoten und die Regelungsalgorithmen optimiert werden. Beim Design stellt sich außerdem die Forderung, das System vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Überschreitet nämlich die Temperatur des Systems eine bestimmte Grenze, so geraten die Bauteile auf der Leiterplatte aus ihren spezifizierten Bereichen heraus. Hierdurch können nicht nur die Bauelemente selbst beschädigt werden, sondern auch Fehlfunktionen des Antriebssystems auftreten.

Mithilfe von Temperatursensoren lassen sich die Bauelemente der Leistungsstufe überwachen und schützen, damit das System innerhalb des sicheren Arbeitsbereichs (Safe Operating Area, SOA) bleibt. Bei diesem SOA handelt es sich um einen bestimmten Betriebstemperaturbereich bei einer bestimmten Scheinleistung oder einem bestimmten Effektivstrom in einer Phase, den der Antrieb ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen aushält. Industrielle Anlagen werden meist für einen Umgebungstemperaturbereich von -40 bis +85 °C spezifiziert.

Sicherheitsspanne einkalkulieren

Das für 48 V und 500 W ausgelegte TI-Referenzdesign „Three-Phase Inverter with Smart Gate Driver Reference Design for Servo Drives“ wurde zum Erstellen einer SOA-Kurve benutzt. Bild 1 zeigt den idealen Verlauf dieser Kurve, die anhand von Wärmebildern und einer Wirkungsgradmessung bei 10 A_RMS erstellt wird. Unter der Annahme eines Temperaturfehlers von null dient diese Kurve als Referenz für einen NTC-Thermistor (mit negativem Temperaturkoeffizienten) und die Sensoren vom Typ TMP235A2. Der Unterschied im SOA erklärt sich aus dem Temperaturfehler der Sensoren und macht deutlich, dass eine gewisse Sicherheitsspanne einkalkuliert werden muss, damit ein Betrieb des Antriebs innerhalb des SOA sichergestellt ist.

Auswirkungen von Temperaturfehlern auf die Leistungsfähigkeit

Aus Bild 1 ist ersichtlich, welche Auswirkungen der Temperaturfehler auf den RMS-Strom bezogen auf die Umgebungstemperatur hat. Hier wird angenommen, dass der Fehler des NTC-Widerstands ±3,9 °C beträgt, während der TMP235A2 einen Fehler von ±2,0 °C aufweist. Mithilfe der SOA-Kurve, die Auskunft über den maximalen Phasenstrom bei einer bestimmten Umgebungstemperatur gibt, lässt sich der größtmögliche Phasenstrom ermitteln, der ohne Kühlmaßnahmen möglich ist. Anhand dieses maximalen Phasenstroms kann anschließend die erforderliche Leistungsminderung der Leistungsstufe bei einem bestimmten Temperatursensor-Fehler ermittelt werden. Bild 2 basiert auf Berechnungen des Referenzdesigns für einen Dreiphasen-Wechselrichter.

Bild 1: SOA-Unterschiede durch Fehler der Temperatursensoren Texas Instruments

Wie zu sehen ist, würde die Leistungsstufe eine Leistung von 539 W unterstützen, wenn es gelänge, die Temperatur ohne Fehler zu messen. Wegen des Temperaturfehlers des Sensors muss jedoch eine Sicherheitsspanne einkalkuliert werden. Die Leistung ist deshalb gegenüber der potenziellen Leistung eines Leistungsmoduls für einen Servo-Antrieb um vier oder acht Prozent zu mindern. Wenn die Leistungsstufe mit 500 W betrieben werden soll (was gemäß Bild 1 eindeutig möglich ist), die Entscheidung aber auf einen NTC-Widerstand fällt, müssten zusätzliche Kühlmaßnahmen herangezogen werden, damit der Temperaturbereich des Systems komplett ausgenutzt werden kann. Alternativ könnte das Design überarbeitet werden, um den Wirkungsgrad zu steigern. Das hier gegebene Referenzdesign arbeitet allerdings schon jetzt mit mehr als 99 Prozent Wirkungsgrad in der Leistungsstufe, sodass eine weitere Steigerung den Zeit- und Kostenaufwand erhöhen würde.

Im Weiteren werden die Überlegungen, Theorien und Hilfsmittel erläutert, mit denen die Bilder 1 und 2 erstellt wurden. Außerdem wird darauf eingegangen, weshalb es sich lohnt, Zeit in die Auswahl des Temperatursensors zu investieren.

Bild 2: Mögliche Scheinleistung bei 85 °C mit verschiedenen Temperatursensoren Texas Instruments

Um nun sicherzustellen, dass die Leistungsstufe nur innerhalb des empfohlenen Temperaturbereichs betrieben wird, soll ein Temperatursensor vorhanden sein, der die Temperatur überwacht und die Leistungsstufe im Fall einer Überhitzung abschaltet. Die Genauigkeit des Temperatursensors hat Einfluss darauf, wo die obere Grenztemperatur angesetzt wird, da eine entsprechende Sicherheitsmarge einkalkuliert werden muss. Im Mittelpunkt steht hierbei die Frage, wie die passenden Konfigurationen generiert werden, um die Möglichkeiten der Leistungsstufe maximal auszuschöpfen. Außerdem wird auf einige Überlegungen eingegangen, die beim Design angestellt werden sollten.

Präzise Temperaturmessung

Am Anfang des Artikels wurde deutlich, dass durch Fehler des Temperatursensors eine Sicherheitsspanne notwendig wird, die sich auf den sicheren Arbeitsbereich der Leistungsstufe auswirkt. Abgesehen vom Sensorfehler gibt es jedoch noch einen weiteren Fehler, der in Bild 3 nicht berücksichtigt ist. Es handelt sich um den Fehler des A/D-Wandlers (ADC), da sowohl der TMP235A2 als auch der NTC-Thermistor ein analoges Signal liefern. Der ADC-Fehler wirkt sich in gleicher Weise auf beide Signale aus, allerdings werden NTCs bei höheren Temperaturen sehr nichtlinear, was eine präzise Temperaturmessung zu einer noch größeren Herausforderung macht. Ein Silizium-Temperatursensor wie der TMP235 dagegen behält seine Linearität über den gesamten Temperaturbereich, was das Kompensieren des Fehlers erleichtert.

Bild 3: Berechnung des Temperaturfehlers eines NTC-Thermistors mit dem Systemparameter-Simulator TMP6131 Texas Instruments

Ein digitaler Temperatursensor wie der TMP117 kann den ADC-Fehler eliminieren und eine Scheinleistung bewältigen, die der mit einer Wärmebildkamera erzielten idealen Kurve deutlich näher kommt.

Wird das System bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C eingesetzt, erreichen die Leiterplatte und die darauf befindlichen integrierten Schaltungen (ICs) in Wirklichkeit höhere Temperaturen, was auf die Eigenerwärmung der ICs zurückzuführen ist. Ein typisches Industrie-IC ist für Betriebstemperaturen bis 125 °C oder mehr ausgelegt.

Bei 85 °C Umgebungstemperatur darf also die Temperatur der ICs durch die Eigenerwärmung nur um höchstens 40 °C steigen, da die Bausteine sonst aus ihrem zulässigen Temperaturbereich herausgeraten. Genaueres zum Thema Eigenerwärmung ist im Design Guide zu erfahren: 48 V, 500-W Three-Phase Inverter with Smart Gate Driver Reference Design for Servo Drives.

Um einen Betrieb außerhalb des empfohlenen Temperaturbereichs zu vermeiden, muss sichergestellt sein, dass das System die Temperatur von 125 °C niemals überschreitet. Während die Temperatur im oben angeführten Smart-Gate-Driver-Referenzdesign mit einer Wärmebildkamera gemessen wird, erfolgt die Temperaturmessung in einem realen System mit einem Thermistor oder einem IC-Sensor. In dem Vergleich aus Bild 3 gelangt ein geringfügiger Fehler in die Berechnungen, denn es wird fälschlicherweise die Annahme zugrunde gelegt, dass die Wärmebildkamera ideal ist und keinen Fehler aufweist. Ein RTD-Messfühler (Resistance Temperature Detector) würde dagegen eine präzisere Messmethode darstellen.

Messfehler kompensieren

Die verschiedenen Methoden der unterschiedlichen Sensortypen ergeben einen Messfehler, der gegenüber der idealisierten Messung kompensiert werden muss. Je geringer der Fehler ist, umso mehr Leistung kann der Dreiphasen-Wechselrichter abgeben, bevor das System infolge Überhitzung abgeschaltet werden muss. Der Temperaturfehler schränkt somit die Scheinleistungsfähigkeit des Systems ein, ohne den Gatetreiber, die Feldeffekt-Transistoren oder die anderen Faktoren, die sich auf den Wirkungsgrad der Leistungsstufe auswirken, auch nur in Betracht zu ziehen. Genau aus diesem Grund ist die Genauigkeit des Temperatursensors so bedeutsam.

Welche Konsequenzen hat dies für das Design? Nehmen wir das Smart-Gate-Driver-Referenzdesign als Beispiel und vergleichen den Fehler eines NTC-Thermistors mit dem eines IC-Temperatursensors vom Typ TMP235A2. Als erstes stellt sich die Frage, wie der Temperaturfehler quantifiziert wird. Das Datenblatt des TMP235A2 weist einen Temperaturfehler von ±2 °C über den vollen Temperaturbereich aus. Außerdem findet sich im Datenblatt eine Fußnote mit einem Verweis auf die Tabelle zur Korrektur der Temperaturdrift des Bausteins.

Im Fall des NTC ist das Berechnen des Fehlers etwas zeitaufwendiger. Mit mathematischen Gleichungen lässt sich ein Modell erstellen, mit dem der Fehler in Celsiusgraden berechnet werden kann. Zu finden sind diese Gleichungen üblicherweise im Datenblatt des NTC-Thermistors oder in den zugehörigen Applikationsschriften. Mithilfe der Gleichungen lassen sich die Kennlinien des NTC-Modells erstellen, wie es im Parametersimulator TMP6131 zu sehen ist.

Systemparameter-Simulator

Der Systemparameter-Simulator TMP6131 kann das NTC-Modell simulieren und die Genauigkeit mithilfe der Polynomanpassung anstatt mit einer Wertetabelle abschätzen. Bild 2 zeigt die Einstellungen für die Simulation sowie das entsprechende Ergebnis.

Die blaue Kurve in Bild 3 stellt den Temperaturfehler in einem Bereich von -40 bis 125 °C dar. Wie zu sehen ist, beträgt der maximale negative Fehler -3,6 °C und der größte positive Fehler +4,3 °C. Um die Berechnung zu vereinfachen, soll dieser Temperaturfehlerbereich des NTC auf eine Spanne von ±3,9 °C normalisiert werden. Wegen der Nichtlinearität des NTC über den Temperaturbereich sollte die Kompensation innerhalb des für das System spezifizierten Temperaturbereichs erfolgen.

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur softwaremäßigen Linearisierung von Thermistoren, nämlich die Polynomanpassung und die Wertetabelle. Mit diesen Verfahren lassen sich die Messungen von NTC, PTC und/oder TMP235A2 näher an die ideale Messung und die tatsächliche Temperatur bringen. Im Simulations-Tool wird der Linearisierungsfehler durch Polynomanpassung reduziert. Mit einer Polynomanpassung höherer Ordnung kann zwar die Genauigkeit des NTC gesteigert werden, jedoch verlängert sich dadurch die Zeit, die der Prozessor zum Berechnen der Temperatur benötigt. Dies erhöht den Stromverbrauch, was sich wiederum auf den Systemwirkungsgrad auswirkt. Die Wertetabelle benötigt dagegen Speicherplatz im Prozessor.

Kalibrierfehler werden übrigens in der Simulation nicht berücksichtigt, auch wenn sie sich in ähnlicher Weise auf die Sensoren auswirken.

(neu)