Platzsparende Motorsteuerungsdesigns mit hochintegrierten Gate-Treibern

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Mit Lithium-Ionen-Akkus betriebene bürstenlose Drei-Phasen-DC-Motoren (BLDC) mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad ermöglichen die Entwicklung von kabellosen Werkzeugen, Staubsaugern und E-Bikes. Das Einsparen von Platz, damit elektromechanische Geräte noch kompakter werden können, setzt die Entwickler unter Druck, weil sie die Elektronik für die Motosteuerung noch weiter verkleinern müssen.

Dies ist keine einfache Aufgabe. Abgesehen von der offenkundigen Schwierigkeit, die Treiberkomponenten auf engen Raum unterzubringen, schafft das Zusammenquetschen Probleme mit dem Wärmemanagement und natürlich mit elektromagnetischen Störungen (EMI).

Die Entwickler von Elektronik für die Motorsteuerung können ihre Komponenten schlanker machen, indem sie sich einer neuen Generation von hochintegrierten Gate-Treibern zuwenden, dem wichtigsten Element eines Motorsteuerungssystems.

In diesem Artikel wird zunächst die Funktionsweise von BLDC-Motoren behandelt. Danach werden geeignete Gate-Treiber vorgestellt und beschrieben, wie mit diesen die Herausforderungen bei der Entwicklung von kompakten Motorsteuerungssystemen bewältigt werden können.

Bessere Elektromotoren bauen

Die Entwicklung von Elektromotoren hat sich aufgrund des zweifachen kommerziellen Drucks bezüglich Energieeffizienz und Platzersparnis stark intensiviert. Digital gesteuerte BLDC-Motoren stellen einen Strang dieser Entwicklung dar. Die Beliebtheit dieses Motors beruht auf der elektronischen Kommutierung, die effizienter als die herkömmliche Bürstenkommutierung bei DC-Motoren ist. Die Steigerung des Wirkungsgrads beträgt hierbei 20 % bis 30 % für dieselben Drehzahlen und Lasten.

Aufgrund dieser Verbesserung können BLDC-Motoren mit vorgegebener Leistung kleiner, leichter und leiser werden. Weitere Vorteile von BLDC-Motoren sind die Drehzahl- und Drehmomentkennlinien, eine dynamischere Reaktion, geräuschloser Betrieb und höhere Drehzahlen. Die Ingenieure versuchen, die Motoren mit immer höheren Spannungen und Frequenzen zu betreiben, da damit ein kompakterer Motor dieselbe Arbeit wie ein größerer herkömmlicher Motor leisten kann.

Die Schlüssel zum Erfolg des BLDC-Motors sind ein elektronisches Schaltnetzteil und eine Motorsteuerungselektronik, die für einen dreiphasigen Eingang sorgt, der wiederum das Magnetfeld erzeugt, das den Rotor des Motors in Drehung versetzt. Da sich Magnetfeld und Rotor mit derselben Frequenz drehen, wird diese Art von Motoren als „synchron“ bezeichnet. Die relativen Positionen von Stator und Rotor werden durch Hall-Sensoren erfasst, sodass der Controller das Magnetfeld im richtigen Moment umschalten kann. Es sind auch „sensorlose“ Techniken möglich, bei denen die elektromotorische Kraft (EMK) überwacht wird, um die Positionen von Stator und Rotor zu bestimmen.

Die üblichste Konfiguration einer sequenziellen Bestromung eines Drei-Phasen-BLDC-Motors besteht aus drei in einer Brückenstruktur angeordneten Leistungs-MOSFET-Paaren. Jedes der Paare fungiert als Inverter, der die Gleichspannung vom Netzteil in die zum Antrieb einer Wicklung des Motors erforderliche Wechselspannung umwandelt (Abbildung 1). Für hohe Spannungen werden anstelle von MOSFETs typischerweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs) verwendet.

Schaltbild: Digitale Steuerung eines Drei-Phasen-BLDC-Motors

Abbildung 1: Zur digitalen Steuerung eines Drei-Phasen-BLDC-Motors werden typischerweise drei MOSFET-Paare verwendet, von denen jedes die Wechselspannung für eine der Motorwicklungen liefert. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das Transistorpaar umfasst einen Lo-Side-Baustein (Quelle mit Masse verbunden) und einen High-Side-Baustein (Quelle wechselt zwischen Masse und hoher Spannung der Stromschiene).

In einer typischen Anordnung werden die Gates der MOSFETs per PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuert, wodurch die Eingangs-Gleichspannung in eine modulierte Spannung für den Antrieb umgewandelt wird. Es sollte eine PWM-Frequenz gewählt werden, die mindestens das Doppelte der erwarteten Höchstdrehzahl des Motors beträgt. Jedes MOSFET-Paar kontrolliert das Magnetfeld für eine Phase des Motors. Weitere Informationen zur Ansteuerung von BLDCs finden Sie in der Bibliothek im Artikel „How to Power and Control Brushless DC Motors (Stromversorgung und Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren)“.

Das Steuerungssystem eines Elektromotors

Ein vollständiges Steuerungssystem für einen Elektromotor umfasst ein Netzteil, einen Host-Mikrocontroller, einen Gate-Treiber und die in Halbrücken-Topologie angeordneten MOSFETs (Abbildung 2). Der Mikrocontroller legt den PWM-Zyklus fest und kümmert sich um die Steuerung. In Designs für niedrige Spannungen sind Gate-Treiber und MOSFET-Brücke manchmal in einer Einheit integriert. Bei Einheiten mit höherer Leistung sind Gate-Treiber und MOSFET-Brücke getrennt untergebracht, um das Wärmemanagement zu erleichtern. So können für Gate-Treiber und Brücke unterschiedliche Prozesstechnologien eingesetzt werden und elektromagnetische Störungen werden minimiert.

Schaltbild der Steuerung eines BLDC-Elektromotors

Abbildung 2: Schaltbild der Steuerung eines BLDC-Elektromotors auf Grundlage des Mikrocontrollers MSP 430 von TI. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die MOSFET-Brücke kann aus separaten Bausteinen oder aus integrierten Chips bestehen. Ein wesentlicher Vorteil der Unterbringung von Low-Side- und High-Side-MOSFETs in demselben Gehäuse besteht darin, das so ein natürlicher thermischer Ausgleich zwischen oberem und unterem MOSFET möglich ist – selbst dann, wenn sich die Verlustleistungen der MOSFETs unterscheiden. Jedes Transistorpaar, ob integriert oder separat, benötigt einen unabhängigen Gate-Treiber zur Steuerung der Schaltzeiten und des Ansteuerungsstroms.

Gate-Treiber können auch aus separaten Komponenten aufgebaut sein. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der Gate-Treiber exakt auf die Kennwerte der MOSFETs abgestimmt und die Leistung damit optimiert werden kann. Der Nachteil ist, dass sehr viel Erfahrung mit der Konstruktion von Motoren und zusätzlicher Platzbedarf für die separaten Komponenten benötigt wird.

Modulare Motorsteuerungslösungen sind eine Alternative, und es ist eine Vielzahl von integrierten Gate-Treibern auf dem Markt. Bessere modulare Gate-Treiber-Lösungen bieten u. a.:

  • Hohe Integration, um den Platzbedarf für die Komponenten zu minimieren
  • Einen hohen Ansteuerungsstrom, um Schaltverluste zu vermeiden und den Wirkungsgrad zu verbessern
  • Hohe Gate-Spannung, um die Leitfähigkeit des MOSFETs mit minimalem internen Widerstand („RDS(ON)“) sicherzustellen
  • Hoher Schutz vor Überstrom, Überspannung und Übertemperatur, um einen zuverlässigen Betrieb des Systems unter Worst-Case-Bedingungen sicherzustellen 

Bausteine wie die Produktfamilie DRV8323x von Drei-Phasen-Gate-Treibern von Texas Instruments reduzieren die Anzahl der Systemkomponenten, die Kosten und die Komplexität und erfüllen dabei die Anforderungen von hocheffizienten BLDC-Motoren.

Die Produktfamilie DRV8323x wird in drei verschiedenen Ausführungen geliefert. In jeder von ihnen sind drei unabhängige Gate-Treiber integriert, die in der Lage sind, ein MOSFET-Paar für High-Side und Low-Side anzusteuern. Zu den Gate-Treibern gehört eine Ladepumpe, die eine hohe Gate-Spannung (mit bis zu 100 Prozent Einschaltdauer) für die High-Side-Transistoren generiert, und ein Linearregler für die Versorgung der Low-Side-Transistoren.

Die Gate-Treiber von TI verfügen über Messverstärker, die bei Bedarf auch für die Verstärkung der Spannung an den Low-Side-MOSFETs konfiguriert werden können. Die Bausteine können bis zu 1 A Quellenstrom und einen maximalen Senkenstrom von 2 A zur Ansteuerung des Gates liefern und werden über ein einzelnes Netzteil mit einem Eingangsspannungsbereich von 6 bis 60 V betrieben.

In die Version DRV8323R sind z. B. drei bidirektionale Strommessverstärker integriert, die mithilfe eines Low-Side-Shunt-Widerstands die Stromstärke durch jede der MOSFET-Brücken überwachen. Die Einstellung der Verstärkung der Strommessverstärker kann über die SPI- oder die Hardware-Schnittstelle vorgenommen werden. Der Mikrocontroller ist mit dem EN_GATE-Pin des DRV8323R verbunden, damit er die Gate-Treiber-Ausgänge aktivieren und deaktivieren kann.

Im DRV8323R ist außerdem ein 600mA-Abwärtswandler integriert, der zur Versorgung eines externen Controllers verwendet werden kann. Dieser Regler kann entweder über das Netzteil des Gate-Treibers oder über ein separates Netzteil versorgt werden (Abbildung 3).

Schaltbild des hochintegrierten Gate-Treibers DRV8323R von Texas Instruments

Abbildung 3: Hochintegrierte Gate-Treiber wie der DRV8323R von TI reduzieren die Anzahl der Systemkomponenten, die Kosten und die Komplexität und sparen dabei Platz. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Gate-Treiber verfügen über eine Vielzahl von Schutzfunktionen, darunter Abschalten des Netzteils bei Unterspannung, Abschalten der Ladepumpe bei Unterspannung, Überstromüberwachung, Erkennung von Kurzschlüssen am Gate-Treiber und Herunterfahren bei Übertemperatur.

Der DRV832x befindet sich in einem Chip der Größe 5 x 5 bis 7 x 7 Millimeters (mm) (je nach Variante). Mit diesen Produkten wird Platz für die anderenfalls erforderlichen bis zu 24 separaten Komponenten eingespart.

Design mit integrierten Gate-Treibern

Um bei den ersten Schritten behilflich zu sein, bietet TI das Referenzdesign TIDA-01485 an. Es handelt sich um ein Referenzdesign mit einem Wirkungsgrad von 99 % für eine 1-kW-Leistungsstufe für 36V-Drei-Phasen-BLDC-Motoren, das sich z. B. für mit einem 10-Zellen-Lithium-Ionen-Akku betriebene Werkzeuge eignet.

Das Referenzdesign führt vor, wie die Verwendung eines hochintegrierten Gate-Treibers, z. B. des DRV8323R, in einem Motorsteuerungsdesign Platz spart, indem es die Basis für eine der kleinsten Motorsteuerungen dieser Leistungsklasse bildet. Im Referenzdesign ist eine sensorbasierte Steuerung implementiert. (Informationen dazu finden Sie in der Bibliothek im Artikel „Why and How to Sinusoidally Control Three-Phase Brushless DC Motor (Sinusförmige Steuerung von bürstenlosen Drei-Phasen-DC-Motoren. Warum und wie“.)

Die Hauptelemente des Referenzdesigns sind ein Mikrocontroller MSP430F5132 der Gate-Treiber DRV8323R und drei 60V-Halbbrücken-MOSFET-Leistungsblöcke CSD88599 (Abbildung 4).

Schaltbild: Das TIDA-01485 von Texas Instruments ist ein Referenzdesign für eine 1-kW-Leistungsstufe mit 99 % Wirkungsgrad

Abbildung 4: Das TIDA-01485 von Texas Instruments ist ein Referenzdesign für eine 1-kW-Leistungsstufe mit einem Wirkungsgrad von 99 % für 36V-Drei-Phasen-BLDC-Motoren, die mit einem 10-Zellen-Lithium-Ionen-Akku betrieben werden können. (Bildquelle: Texas Instruments)

Obwohl der Gate-Treiber als hochintegrierte modulare Lösung viele der Komplexitäten eines diskreten Designs beseitigt, ist für ein funktionierendes System noch einige Arbeit nötig. Das Referenzdesign unterstützt die Entwickler beim Entwurf eines Prototyps, indem es eine umfassende Lösung vorführt.

Für die ordnungsgemäße Funktion des Gate-Treibers sind z. B. mehrere Entkopplungskondensatoren erforderlich. Im Referenzdesign entkoppelt der 1-μF-Kondensator (C13) die Antriebsspannung des Low-Side-MOSFETs (DVDD), die vom linearen Spannungsregler des DRV8323R bezogen wird (Abbildung 5). Dieser Kondensator muss so nahe wie möglich am Gate-Treiber angeordnet werden, um den Schleifenwiderstand zu minimieren. Ein zweiter Entkopplungskondensator mit einer Kapazität von 4.7 μF (C10) ist zum Entkoppeln des Eingangs der Gleichstromversorgung (PVDD) der 36-V-Batterie erforderlich.

Schaltbild: Anwendungsschaltung für den Gate-Treiber DRV8323R von Texas Instruments

Abbildung 5: Anwendungsschaltung für den Gate-Treiber DRV8323R. Die Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich sein, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Diode D6 trägt zur Isolierung der Stromversorgung des Gate-Treibers bei, falls die Batteriespannung bei einem Kurzschluss absinkt. Diese Diode ist wichtig, da ihr Vorhandensein den Entkopplungskondensator für PVDD (C10) in die Lage versetzt, die Eingangsspannung über kurze Spannungsabfälle hinweg aufrechtzuerhalten.

Durch das Aufrechterhalten der Spannung wird verhindert, dass der Gate-Treiber in einen unerwünschten Sperrzustand aufgrund von Unterspannung übergeht. C11 und C12 sind die Schlüsselkomponenten, die den Betrieb der Ladepumpe ermöglichen. Sie sollten ebenfalls so nahe wie möglich am Gate-Treiber angeordnet werden.

Es ist gängige Konstruktionspraxis, die Schleifenlänge für die Hi-Side- und Low-Side-Gate-Treiber zu minimieren – in erster Linie, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Die High-Side-Schleife beginnt beim Anschluss GH_X des DRV8323, verläuft über das Leistungs-MOSFET und kehrt dann über SH_X zurück. Die Low-Side-Schleife beginnt beim Anschluss GL_X, verläuft über das Leistungs-MOSFET und kehrt dann über Masse zurück.

Die Wichtigkeit des Timings beim Schalten

Die Wahl der richtigen MOSFETs ist wesentlich für Leistung und Wirkungsgrad von BLDC-Motoren. Da keine zwei MOSFET-Produktfamilien exakt gleich sind, hängt eine Wahl immer von den geforderten Schaltzeiten ab. Bei einem auch nur etwas falschen Timing können Probleme wie Ineffizienz, vermehrte elektromagnetische Störungen und sogar ein Ausfall des Motors auftreten.

Ein nicht exaktes Timing kann beispielsweise einen Durchschlag verursachen, eine Situation, bei der sowohl High-Side als auch Low-Side des MOSFETs zufällig eingeschaltet sind, was zu einem katastrophalen Kurzschluss führt. Weitere mögliche Timing-Probleme sind von parasitären Kapazitäten verursachte Transienten, die die MOSFETs beschädigen können. Weitere Ursachen von Problemen sind externe Kurzschlüsse, Lötbrücken und MOSFETs, die sich in einem bestimmten Zustand „aufgehängt“ haben.

TI bezeichnet seinen DRV8323 als „intelligenten“ Gate-Treiber, da er den Entwicklern eine Kontrolle über das Timing und Rückmeldungen bietet, um diese Probleme zu umgehen. Der Treiber verfügt beispielsweise über einen internen Zustandsautomaten, der ihn vor Kurzschlussereignissen im Gate-Treiber schützt, die Totzeit (IDEAD) der MOSFET-Brücke steuert und vor einem parasitären Einschalten der externen Leistungs-MOSFETs schützt.

Der Gate-Treiber DRV8323 verfügt auch über eine einstellbare Push-Pull-Topologie sowohl für den High-Side- als auch für den Low-Side-Treiber, die ein kräftiges Pull-up und Pull-down der externen MOSFET-Brücke zur Vermeidung von Problemen mit Streukapazitäten ermöglicht. Die einstellbaren Gate-Treiber unterstützen zur Feinabstimmung des Systems vorübergehende („on-the-fly“) Änderungen der Stärke (IDRIVE) und der Dauer (tDRIVE) des Gate-Ansteuerungsstroms, ohne dass dazu Gate-Ansteuerungswiderstände zur Strombegrenzung erforderlich sind (Abbildung 6).

Diagramm: Spannung und Stromstärke am Eingang des High-Side- (VGHx) und des Low-Side-Transistors (VGLx)

Abbildung 6: Spannung und Stromstärke am Eingang des High-Side- (VGHx) und des Low-Side-Transistors (VGLx) in einer der MOSFET-Brücken eines Drei-Phasen-BLDC-Motors. IDRIVE und tDRIVE sind für einen ordnungsgemäßen Betrieb und die Effizienz des Motors wichtig, über IHOLD wird der gewünschte Zustand des Gates aufrechterhalten, und ISTRONG verhindert, dass eine Kapazität zwischen Gate und Quelle des Low-Side-Transistors ein Einschalten induziert. (Bildquelle: Texas Instruments)

IDRIVE und tDRIVE sollten anfänglich auf Grundlage der Kennwerte des externen MOSFETs gewählt werden, z. B. nach Gate-Drain-Ladung und den gewünschten Anstiegs- und Abfallzeiten. Wenn IDRIVE z. B. zu niedrig ist, werden die Anstiegs- und Abfallzeiten des MOSFETs länger, was zu hohen Schaltverlusten führt. Die Anstiegs- und Abfallzeiten bestimmen auch (bis zu einem gewissen Grade) Energie und Dauer der Spitzen der Freilaufdioden der einzelnen MOSFETs, die den Wirkungsgrad ebenfalls negativ beeinflussen können.

Bei einer Änderung des Zustands des Gate-Treibers wird IDRIVE für die Dauer tDRIVE angewendet. Diese muss so lang sein, dass sich die Gate-Kapazitäten vollständig aufladen oder entladen können. Als Daumenregel gilt, dass tDRIVE etwa doppelt so lang wie die Anstiegs- und Abfallzeiten beim Schalten der MOSFETs sein sollte. Beachten Sie, dass tDRIVE die PWM-Zeit nicht verlängert und beendet wird, sobald während des Aktivitätsintervalls ein PWM-Befehl empfangen wird.

Nach dem tDRIVE-Intervall wird der gewünschte Zustand des Gates mit einem Haltestrom (IHOLD) aufrechterhalten (entweder per Pull-up oder per Pull-down). Während des Einschaltens der High-Side wird auf das Gate des Low-Side-MOSFETs ein starker Pulldown ausgeübt, um zu verhindern, dass die Kapazität zwischen Gate und Quelle des Transistors ein Einschalten induziert.

Eine feste Dauer von tDRIVE sorgt dafür, dass die Dauer des Spitzenstroms bei einer Fehlerbedingung, z. B. bei einem Kurzschluss am MOSFET-Gate, begrenzt ist. Dies begrenzt die übertragene Energie und schützt die Pins und den Transistor des Gate-Treibers vor Schäden.

Fazit

Modulare Motortreiber sind platzsparend, da Dutzende von diskreten Komponenten eingespart werden, und sie verstärken die Vorzüge einer neuen Generation von kompakten, digital gesteuerten BLDC-Motoren hoher Leistungsdichte. Bei diesen „intelligenten“ Gate-Treibern kommt eine Technologie zum Einsatz, durch die der komplizierte Prozess der Einstellung der Schaltzeiten der Leistungs-MOSFETs bei der Entwicklung vereinfacht wird, die Auswirkungen von parasitären Kapazitäten gemildert und elektromagnetische Störungen reduziert werden.

Trotzdem ist bei der Auswahl der Peripherie-Elektronik wie Leistungs-MOSFETs und Entkopplungskondensatoren Sorgfalt geboten. Aber wie oben erwähnt bieten die größeren Hersteller von Motortreibern Referenzdesigns an, die von den Entwicklern als Grundlage für ihre Prototypen verwendet werden können.

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