Funktionsmodule für den Einsatz in allen Teilsystemen ↑
Auf dieser Seite werden Funktionmodule vorgestellt, die bestimmte Funktionen übernehmen, die bei den unterschiedlichen, im Konzept angesprochenen Elementen, gleich sind. Unter diese Kategorie fallen Gate-Treiber-Bausteine zum Ansteuern der Leistungstransistoren aus der Signalelektronik oder z.B. verschiedene Sensoren zur Strom oder Spannungsmessung.
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Gate-Treiber-Modul ↑
Im Bereich der leistungeelektronischer Schaltungen sind Gate-Treiber ein unerlässliches Element, um sicherzustellen, dass die Leistungstransistoren schnell und sicher schalten. Insbesondere bei Halbbrücken-Anordnungen, wie sie im s.E.V.A.-Projekt Verwendung finden, ist zudem wichtig, dass die Treiber auf den jeweiligen Potentialen der Transistoren arbeiten können.
Für das s.E.V.A.-Projekt wird ein Treiberkonzept eingesetzt, bei dem jeder Leistungstransistor einen unabhängigen, potentialfreien Treiber erhält. Dieses vergleichsweise aufwendige Konzept ermöglicht es, für alle Transistoren exakt gleiche Treibermodule zu verwenden. Damit wird die Wartbarkeit verbessert und eine Vereinfachung der Schaltungen bezüglich Fehlersuche erreicht. Das folgenden Bild zeigt den Schaltplan der Gate-Treiber-Module, die für jeden Transistor jeweils auf die entsprechende Leistungselektronik-Platine gesteckt werden. Grundsätzlich besteht dabei jeder Treiber aus einem Treiber-IC mit optischer Potentialtrennung (Optokoppler-Treiber) und einem DC-DC-Wandler, um die notwendige Treiberleistung potentialgetrennt aus der Versorgungsspannung bereitzustellen. Um kurze Versorgungsspannungeinbrüche abzublocken, ist für die Versorgungsspannung eine Stützung über Elkos vorgesehen, die über eine Eingangsdiode die Energie nur für den Betrieb des Treiber speichern. Das Treiber-IC ist zudem gegen Versorgungsspannungsausfälle gesichert, in dem dann eine Abschaltung des Leistungstransistors erfolgt.
Modul zur Spannungserfassung ↑
Dieses Modul stellt einen universelle, potentialtrennende Schaltung zur Spannungserfassung dar. Es wir benötigt, um Spannungen im Bereich des Zwischenkreises, bzw. den Ein und Ausgängen, ohne Potentialbindung erfassen zu können. Das Modul ist einfach und universell aufgebaut, da in jedem Element aus dem Konzept für die dort benötigten Spannungserfassungen eingesetzt werden soll.
Prinzipiell besteht das Modul eingangsseitig aus einem Differenzverstärker um einen möglichst hohen Eingangswiderstand zu erreichen. Der Differenzverstärker ist dabei auf dem Modul mit einem Teil des benötigten Eingangswiderstandes (und dadurch mit kleinem Eingangsteilerverhältnis) aufgebaut, da die restlichen Widerstände des Teilers, sowie eine eventuelle Schutzdiode auf den Leistungselektronik-Platinen vorgesehen werden sollen (Dort können einfacher die Isolationabstände eingehalten werden.
Die zweite Stufe bildet die eigentliche Potentialtrennung: Das Siganl wird zunächst für die Übertragung mit einem Analog-Optokoppler aufbereitet, über diesen übertragen und wieder in ein entsprechendes Spannungssignal umgewandelt. Um eine lineare Übertragung zu ermöglichen, sendet der Optokoppler auf zwei identische Empfangsdioden, wovon eine als Rückführung in die Signalaufbereitung dient und mit der zweiten durch symmetrischen Aufbau zur Eingangsseite das ursprüngliche Spannungssigal nachgebildet werden kann.
Die Eingangs-Operationsverstärker werden mit einem kleinen DC-DC-Wandler versorgt, ausgangsseitig ist ein "Single-Rail", bzw. "Rail-to-Ground" Operationsverstärker (eine Versorgungsspannung; Ein-, bzw. Ausgangsspannung dürfen/können gesamten Versorgungsspannungsbereich abdecken) eingebaut.
Das Usens-modul ist aktuell nur für postive Eingangsspannungen ausgelegt, eine Erweiterung für negative Spannungen könnte durch Aufschalten (eingangsseitig) und Subtrahieren (ausgangsseitig) einer Offsets-Spannung erfolgen.
Modul zur Erfassung von Wechselströmen ↑
Das Stromerfassungsmodul Isens des ersten Typs ist ein universeller, potentialtrennender Stromsensor für Wechselströme (ab 50Hz).
Kernelement stellt dabei ein Stromtransformator mit einem Übersetzunghsverhältnis 1/2500 dar. Der den zu messenden Strom führende Leiter wird an beliebiger Stelle durch den Stromtransformator geführt. Der Ausgangsstrom des Stromtransformators wird mit einer Diodenbrücke gleichgerichtet und mit einem Widerstand abgeschlossen. Der Widerstand ist anahnd der Datenblattwerte so gewählt, dass der Stromtransformator bei maximalem zu messenden Strom nicht sättigt. Durch die Gleichrichtung wird nur der Betrag des Stromes erfasst, die Information über die Polarität fehlt damit. Dafür ergibt sich für den Betrag des Stromes die doppelte Genauigkeit beim einlesen per AD-Wandler. Für den Einsatz in der geplanten Anwendung stellt das jedoch kein Problem dar, da die Polarität des Stromes aus anderen Informationen gewonnen werden kann.
Die am Widerstand abfallende Spannung wird mit Hilfe eines Operationsverstärkers auf den Eingangsspannungsbereich des AD-Wandlers angepasst. Damit im Fehlerfall keine hohen Spannungen am Stromtransformator entstehen, wird dessen Ausgang zusätzlich mit einer Suppressordiode geschützt, über die dann der gewandelte Strom fließen kann.
Erfassung von Gleich- und Wechselströmen ↑
Die zweite Variante des Stromsensor-Moduls (Isens-Typ2) ist für die Erfassung von sowohl Gleich-, als auch Wechselströmen und basiert auf kontaktlosen Messung mit Hall-Effekt-Sensor (LEM HAW).
Dessen Versorgungsspannungen werden aus der Versorgung mittels zwei Spannungsreglen (0V-5V-10V) bereitgestellt, wobei die mittlere Spannung als 0-Potential für den Stromwandler verwendet wird. Das gemessene Signal wird mittels einer Operationsverstärkerschaltung so aufbereitet, dass sich für -25A eine Ausgangsspannung von 0V; bei 0A 2,5V und bei 25A eine Ausgangsspannung von 5V ergibt. Damit kann der gemessene Strom direkt im AD-Wandler des Mikrokontrollers eingelesen werden. Das Isens-Typ2-Modul muss in den Strompfad eingebracht werden und ist so konstruiert, dass es auf zwei Schraubbolzen auf der jeweiligen Leistungselektronik-Trägerplatine aufgeschraubt wird.
Nulldurchgangserkennung des speisenden Netzes ↑
Dieses sehr einfache Modul hat die Aufgabe, die Polarität einer Wechselspannung auszuwerten. Speziell wird dieses Modul zur Nulldurchgangs-Erkennung der Netzspannung eines speisenden Netzes verwendet. Kernelement bildet ein Optokoppler, dessen LED über einen Vorwiderstand am Netz betrieben wird. Der Vorwiderstand ist dabei aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelwiderständen aufgebaut, um die Verlustleistung aufnehmen zu können. Eine Halbschwingung steuert die LED und damit den Ausgangstransistor an, die andere Halbschwingung der Netzspannung wird über eine zur LED Anti-parallele Diode abgeleitet; der Augangstransistor des Optokopplers wird also nicht angesteuert. Damit entsteht ein Logiksignal mit der Information über das aktuelle Vorzeichen der Netzspannung. Ein nachgeschalteteter Transistor verstärkt das Signal, so dass bereits be sehr kleinem LED-Strom das Rechtecksignal erzeugt wird und somit eine geringe verschiebung im Bereich des Nulldurchgangs einer sinusförmigen SPannung ergibt.
