Fehler vermeiden – High-Side-Treiber in Motorbrücken

Die Flexibilität von High-Side-Treibern ist einer der Gründe, warum sie vermehrt auch in Motorsteuerungen zu sehen sind. Dieser Beitrag zeigt Beispiele zur Steuerung von Motoren und Lösungen zum Verpolschutz.

Die Flexibilität von High-Side-Treibern ist einer der Gründe, warum sie vermehrt auch in Motorsteuerungen zu sehen sind. Dieser Beitrag zeigt Beispiele zur Steuerung von Motoren und Lösungen zum Verpolschutz.

INHALT:
High-Side- oder Low-Side-Takten
Verpolschutz – aber wie?
Verpolschutz mit N-Kanal- MOSFET mit Ladungspumpe
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Mit einem Zweikanal- oder zwei Einkanal-High-Side-Treibern (HSD) sowie zwei MOSFETs beziehungsweise geschützten Low-Side-Schaltern (OMNIFET) lässt sich eine leistungsfähige Brü-ckenkonfiguration realisieren, die gegenüber monolithischen Lösungen oberhalb eines Motor-Blockstromes von 5 A bis 7 A oft wirtschaftlicher ist (Bild 1).

High-Side-Treiber sind jedoch in Bezug auf ihre Eigenschaften nicht für Motorsteuerungen optimiert. Hieraus ergeben sich einige Limitierungen, die beachtet werden müssen, wenn die Schaltung effizient und zuverlässig arbeiten soll.

Für eine einfache Motorkommutierung ist die Schaltung nach Bild 1 geeignet. Zu beachten ist, dass kein Querstromschutz im Halbbrückenpfad besteht. Diese Aufgabe muss der Mikrocontroller übernehmen. Die Totzeit darf nicht zu kurz sein. Sie orientiert sich im Wesentlichen an der Sperrverzögerungszeit des High-Side-Treibers, dessen Abschaltflankensteilheit recht niedrig ist. Ein unerwünschter Querstrom beim Umschalten zerstört zwar nicht die Halbleiter, aber er verursacht Verlustleistung und zumeist auch EMV-Probleme. Werden im unteren Zweig ungeschützte MOSFETs verwendet, gilt die Regel, dass deren Ein-Widerstand immer niederohmiger sein muss als der Ein-Widerstand der High-Side-Treiber. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei einer Überlast im Brückenzweig die High-Side-Treiber thermisch abschalten, bevor die Low-Side-Treiber überhitzen. Nicht vergessen werden darf ein Elektrolyt-Kondensator am Ubatt-Anschluss, denn die Motorinduktivität speist Energie zurück, wenn die Brücke sperrt, während die Motorinduktivität noch geladen ist. Dies passiert immer dann, wenn das Modul seine Versorgung verliert und der Mikrocontroller einen Reset erhält.

High-Side- oder Low-Side-Takten

Soll der Motor getaktet werden, stellt sich sehr oft die Frage, was besser ist: Low-Side- oder High-Side-Takten. Wo die obere noch sinnvolle Schaltfrequenz für den High-Side-Treiber liegt, ist aus dem Datenblatt zu entnehmen. In der Regel liegen Anstiegs- und Abfallzeit bei etwa 0,2 bis 0,3 V/µs; das PWM-Frequenz-Limit damit bei etwa 400 Hz. Darüber dominieren die Schaltverluste. Ungünstig ist auch, dass der Laststrom – soll er über den Sense-Ausgang des HSD gemessen werden – mit der Eingangs-PWM taktet, was die Messung erschwert.

Im Vergleich hierzu ist Low-Side-Takten flexibler, denn die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET lässt sich über den Wert des Gate-Widerstandes individuell einstellen, wodurch auch höhere Schaltfrequenzen möglich sind. Der gegenüberliegende HSD ist hierbei permanent eingeschaltet, der Motor-Laststrom ist dadurch über den Sense-Ausgang einfach zu messen. Wo liegt nun das Limit beim Low-Side-Takten? Bild 2 zeigt das Szenario für eine Stromrichtung. Über den Low-Side-MOSFET wird getaktet. In der Freilauf-Phase ist der Low-Side-MOSFET gesperrt. Der Motorstrom fließt im Kreis durch HSD 2 und rückwärts durch die MOSFET-Substratdiode von HSD 1.