Motion Control Sinusförmig ansteuern – der Weg zu niedrigen Verlusten bei HV-IPDs

Bei drehzahlgeregelten Antrieben sind jetzt höherer Wirkungsgrad und leiserer Betrieb gefordert. Qualitativ höherwertige Motoren und entsprechende sinusförmige Ansteuerung helfen bei der Umsetzung.

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Das Gehäuse eines HV-IPD-Bausteins (High-Voltage Intelligent Power Device) enthält Leistungsschalter, Treiber und Schutzschaltkreise zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren. Damit vereinfacht sich das Design, die Zuverlässigkeit steigt und die Gesamtgröße des Systems verringert sich.

Bild 1 stellt die grundlegenden HV-IPD-Funktionen dar und zeigt, wie der Baustein mit nur wenigen externen Komponenten an den Motor angeschlossen wird.

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Der HV-IPD kann ein Modul mit mehreren Chips sein, das getrennte High-Voltage- und Logik-Komponenten kombiniert. Alternativ ermöglicht die SOI-Technik (Silicon On Insulator), dass sämtliche Schaltkreise auf einem einzigen Chip untergebracht werden können.

In diesem Fall ist eine isolierende Siliziumdioxid-Schicht und Trench-Isolation notwendig, damit CMOS/DMOS-Schaltungen und IGBTs nebeneinander auf dem gleichen Substrat existieren können, ohne sich gegenseitig zu stören.

Das Aufkommen von Multi-Chip- und monolithischen HV-IPDs hat die Gegebenheiten bei der Antriebssteuerung verändert. Entwickler verbauen zunehmend hochwertige bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCs) in kostengünstige Produkte wie Haushaltsgeräte und Klimaanlagen.

Im Vergleich zu bürstenbehafteten Motoren, die eine einfache spannungsabhängige Drehzahlregelung erlauben, aber hohen Verschleiß, schlechten Wirkungsgrad und hohe Geräuschentwicklung aufweisen, bieten BLDCs einen höheren Wirkungsgrad, leiseren Betrieb, sind weniger wartungsanfällig und sind zuverlässiger.

IGBT-Treiberschaltungen

Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

Trapez- oder sinusförmige Ansteuerung?

Wie Bild 1 zeigt, ist der HV-IPD die letzte Stufe bei der Stromzufuhr an die Ständerwicklungen. Damit wird ein Drehmoment erzeugt: dies wirkt gegen das elektromagnetische Feld (Gegen-EMK), das in den Wicklungen als Funktion der Läuferposition induziert wird. Bei der Läuferbewegung kann das Gegen-EMK-Signal entweder sinus- oder trapezförmig sein und hängt ab von der Form und Magnetisierung der Läufermagneten, der Luftlücke zwischen Läufer und Ständer, dem Ständeraufbau und der Art, wie die Wicklungen in die Ständernuten verbaut sind.

Bild 2 stellt Beispiele dieser Signalformen dar. Die trapez-/rechteckförmige Ansteuerung basiert auf einer 120°-Steuerung über Hall-Elemente, mit denen die Rotorposition bestimmt wird (Bild 1). Die sinusförmige Ansteuerung fußt auf einem 180°-Wicklungsstrom und einem Mikrocontroller (MCU) oder Motorsteuerungs-IC (Bild 3).

Die richtige Wahl des HV-IP: Der HV-IPD enthält Gate-Steuerschaltkreise und die Strombrücke, die U-, V- und W-Signale zur Steuerung des Motors erzeugen. Die von der MCU (Mikrocontroller) oder dem MCD (Motor-Control Driver) berechneten PWM-Signale dienen als Input. Schutzschaltkreise wie Überstromschutz, Abschaltung bei Unterspannung und Übertemperatur sind bereits integriert. Bild 3 beschreibt die internen HV-IPD-Funktionen und den Anschluss an die MCU.

Halbleiterhersteller bieten HV-IPDs für verschiedene Anwendungen. Als drehzahlgeregelte Antriebe auch im Konsum-Markt (beispielsweise in Haushaltsgeräten) eingeführt wurden, waren HV-IPDs mit Logikschaltkreisen zur Erzeugung trapezförmiger Steuersignale von einem PWM-Eingangssignal und mit einer Strombrücke aus High-Voltage-IGBTs und zugehörigen FRDs (Fast-Recovery Dioden) ausgestattet.

Toshiba hat eine Serie von HV-IPDs für die trapezförmige Ansteuerung entwickelt, darunter den TPD4151K und TPD4142K. Diese basieren auf SOI-Technik und vereinen Low-Voltage Gate-Ansteuerung sowie Schutzschaltkreise auf einem Chip zusammen mit den High-Voltage-IGBTs und FRDs.

Die integrierten IGBTs bieten eine niedrige Durchlassspannung, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Diese Art von HV-IPDs eignet sich sehr gut zur trapezförmigen Ansteuerung kleiner Motoren in Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme wie etwa Luftreiniger.

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IGBTs und Leistungs-MOSFETs direkt ansteuern

Sinusförmige Ansteuerung bei hoher Leistung

Der zunehmende Einsatz von Motoren mit sinusförmiger Ansteuerung verlangt entsprechende HV-IPDs. Dies trifft vor allem auf Anwendungen mit hoher Leistungsaufnahme zu (etwa Spülmaschinen und Klimaanlagen mit Außeneinheiten), die große Motoren verwenden und deshalb für eine Sinus-Gegen-EMF einfacher zu entwickeln sind.

Die HV-IPDs TPD4123K, TPD4144K und TPD4135K für sinusförmige Ansteuerung liefern eine maximale Betriebsspannung bis 450 V und eine maximale Gleichstrombelastung von 1 A, 2 A bzw. 3 A. Die Bausteine enthalten sechs 500-V-IGBTs und die zugehörigen FRDs zusammen mit Schutz-, Logik- und Treiberschaltkreisen in Toshibas SOI-Technologie.

Vor kurzem hat Toshiba den TPD4204F für eine sinusförmige Ansteuerung vorgestellt. Im Gegensatz zu den vorherigen monolithischen HV-IPDs steht damit ein Multi-Chip-Baustein mit sechs einzelnen 600-V-MOSFET-Chips (mit integrierter Anti-Parallel-Diode) und einem IC mit Logik- und Schutzschaltkreisen in einem 30-Pin-SMD-Gehäuse (SOP30 mit 20 mm x 11 mm x 2 mm) zur Verfügung.

Die 600-V-MOSFETs bieten im Vergleich zu IGBT-basierten Treibern mehr Sicherheitsspielraum über der maximalen Betriebsspannung und erlauben ein kleineres SMD-Gehäuse. Mit der SMD-Technik vereinfacht sich die Montage der Module durch den automatisierten Pick-and-Place-Produktionsprozess. Die MOSFETs stammen aus Toshibas HSD-Serie (High-Speed Diode). Sie enthalten Body-Dioden mit schneller Sperr-Erholzeit und überzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Leistungs-MOSFETs durch einen höheren Wirkungsgrad.

Der neue Aufbau des Bausteins senkt den Wärmewiderstand nun auf 15 °C/W, was zu einer geringeren Wärmentwicklung als bei DIP-Gehäusen (Dual In-Line Package) führt. Der höhere Wirkungsgrad, der geringere Durchlasswiderstand (R_DS(on)) und das gegenüber IGBTs verbesserte Schaltverhalten sorgen insgesamt für weniger Leistungsverluste.

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Neben dem höheren Wirkungsgrad garantiert das Multi-Chip-Design, dass die erzeugte Wärme über das gesamte Gehäuse verteilt wird, wodurch die Gehäusetemperatur insgesamt sinkt. Im Gegensatz dazu sammelt sich in einem Single-Chip-Design die gesamte Wärme in einem monolithischen Chip.

Bild 4 vergleicht die Leistungsverluste des Moduls in Bezug auf gleichwertige Antriebe mit anderen HV-IPDs oder den TPD4144K unter vergleichbaren Betriebsbedingungen. Das Wärmeverhalten des MOSFET-basierten TPD4204F hat sich ebenfalls verbessert und ermöglicht den Betrieb des Controllers ohne Kühlkörper. Das Resultat: die Gesamtkosten und der Platzbedarf des Moduls sinken.

Die Totzeit des Bausteins wird mit nur 1,4 µs (Minimum) spezifiziert, und der integrierte Logik-Controller schützt den Baustein während dieser Zeit. Ohne Logik-Schutzschaltkreis können sich sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-MOSFETs gleichzeitig einschalten, was zu einem Kurzschluss führt. Dagegen sorgt die Schutzvorrichtung zuverlässig dafür, dass Zeitfehler im Schaltvorgang keinen Ausfall verursachen können. Bei diesem Worst-Case-Szenario würde durch den integrierten Überstromschutz ein hoher Stromfluss erkannt, was eine Abschaltung der High- und Low-Side-MOSFETs zur Folge hätte, um eine Überlastung des Bausteins zu verhindern.

Evaluierungsboards für die einfache Analyse und Entwicklung

Toshibas Angebot an Bausteinen im DIP26-Gehäuse enthält anschlusskompatible ICs mit verschiedenen Nennströmen. Die Bausteine lassen sich somit einfach in zukünftige Designs mit unterschiedlichen Motorleistungen integrieren.

Ein ähnliches Konzept, basierend auf dem SOP30-Gehäuse, ist derzeit in der Design-Phase. Damit lassen sich dann geringere Verluste erzielen, ohne hohe Kosten für ein Redesign aufbringen zu müssen.

Damit neue HV-IPD-basierte Controller mit trapez- oder sinusförmiger Ansteuerung einfacher entwickelt werden können, bietet Toshiba eine Reihe von Evaluierungsboards, mit denen sich die Leistungsfähigkeit MOSFET- oder IGBT-basierter Module in neuen Designs testen lässt.

* Georges Tchouangue ist Chief Engineer Discrete Marketing – Power Semiconductors bei Toshiba Electronics Europe, Düsseldorf.

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