Power-Tipp Der richtige Integrationsgrad für meine Motorsteuerung

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Integrierte Lösungen werden immer wichtiger, um Motorsysteme schneller zu entwickeln, die Beschaffung der Bauteile zu vereinfachen, Kosten zu senken und ein zuverlässiges und effizientes System zu realisieren. Das Spektrum reicht hier von rein diskreten Konzepten bis hin zu vollintegrierten Lösungen. Doch welche Variante ist im Einzelfall das richtige?

Eine Motorsteuerung enthält einen Mikrocontroller, der aus Informationen über die Rotorlage die Ansteuersignale für den Gate-Treiber generiert, und dieser wiederum treibt die MOSFETs zur Bestromung der Motorwicklungen.

Eine solche diskret aufgebaute Lösung (Bild 1) arbeitet beispielsweise mit Bipolar-Transistoren in Totem-Pole-Schaltung, die jeweils einen MOSFET ansteuern. Während diese Schaltung einfach zu implementieren und kostengünstig ist, so ist doch eine große Zahl von Bauteilen notwendig, die viel Platz beanspruchen, zumal für einen Motor mehrere MOSFETs benötigt werden.

Einen ersten Schritt in Richtung Integration stellt ein elementarer Gate-Treiber-IC dar, der den mittleren Teil der Schaltung (blaue gestrichelte Linie) zusammenfasst. Bei der Suche nach dem passenden Gate-Treiber-IC muss die Zahl der Treiberkanäle ebenso berücksichtigt werden wie die Spannungsfestigkeit und die Stromtragfähigkeit.

Bild 2 illustriert die verschiedenen Varianten. Es gibt einkanalige Gate-Treiber (z. B. der UCC21732) zum Ansteuern high- und low-seitiger IGBTs und SiC-MOSFETs für Spannungen bis 700 V und mehr (verwendet wird er beispielsweise für AC-Motoren). Zweikanalige Halbbrücken-Gate-Treiber wie der UCC27712 zum Ansteuern von IGBTs und MOSFETs können für Motoren mit Betriebsspannungen von 100 bis 700 V genutzt werden. Schließlich sind auch vierkanalige H-Brücken und sechskanalige Gate-Treiber für Dreiphasen-Motoren wie der DRV8329 sinnvoll, konzipiert für MOSFETs mit Nennspannungen bis zu 60 V sowie für DC-Motoren.

Vorteilhaft ist hier, dass ein und dasselbe Design für Motoren mit unterschiedlichen Leistungen genutzt werden kann, denn es müssen nur die externen Transistoren an das jeweilige Spannungs- und/oder Stromniveau angepasst werden.

Die drei Arten von Gate-Treibern

Die Gate-Treiber selbst können sich entweder auf die elementare Funktion beschränken oder aufwändigere Schutzfunktionen und smarte Funktionen integrieren. Während die Anstiegsgeschwindigkeit in der Regel durch externe Bauelemente festgelegt wird (zwei Quellen- bzw. Senkenwiderstände zur Strombegrenzung, eine Diode zur individuellen Einstellung der Anstiegs- und Abfallrate sowie ein Pull-down-Widerstand), sind diese Komponenten bei smarten Lösungen integriert – einschließlich der Möglichkeit, die Flankensteilheit per SPI-Schnittstelle vorzugeben.

Mit einem sechskanaligen smarten Gate-Treiber lassen sich allein hierfür bis zu 24 diskrete Bauteile einsparen. Weiter reduziert wird der Bauteileaufwand durch inte­grierte Schutz-, Fehlerdetektion- oder sogar Isolationsfunktionen.

Einen weiteren Schritt gehen Motortreiber-ICs, die neben dem Gate-Treiber auch die FETs enthalten, und – wie im Fall des DRV8962 – zusätzlich mit Schutz- und Diagnose-Funktionen aufwarten.

Als dritte Option gibt es Gate-Treiber-ICs mit integrierten, ohne externen Mikrocontroller auskommenden Regelungsfunktionen. Diese Bausteine implementieren die Kommutierungsalgorithmen beispielsweise für Trapez-, Sinus- oder Vektorregelung intern und ohne Codierungsaufwand, was die Entwicklungszeit verkürzt und das Debugging und das Testen weniger komplex macht.

Während die zuletzt genannte Variante mit externen FETs arbeitet, sind diese bei der vollintegrierten Lösung aus Regelung, Gate-Treiber und FETs bereits integriert. Solche Bausteine, zu denen der MCF8315A gehört, benötigen am wenigsten Leiterplattenfläche, jedoch müssen die Fähigkeiten der eingebauten FETs beachtet werden, was ein sorgfältiges Berechnen der Ströme und der thermischen Gegebenheiten voraussetzt. (kr)

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* Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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