Hitzebeständige Hochtemperaturelektronik für Anwendungen im Kraftfahrzeug und in anderen rauhen Umgebungen Chips im Fegefeuer

Die Elektronifizierung des Automobils schreitet nicht zuletzt wegen strengerer Umweltgesetze stetig fort, und die Halbleiter dringen immer tiefer in rauhe Umgebungen wie Motor, Getriebe und Abgasstrang vor. Dort stoßen Standard-Halbleiterbauelemente schnell an ihre Grenzen. SOI-Halbleiter hingegen erreichen zulässige Sperrschichttemperaturen von 200 °C und mehr.

Die Elektronifizierung des Automobils schreitet nicht zuletzt wegen strengerer Umweltgesetze stetig fort, und die Halbleiter dringen immer tiefer in rauhe Umgebungen wie Motor, Getriebe und Abgasstrang vor. Dort stoßen Standard-Halbleiterbauelemente schnell an ihre Grenzen. SOI-Halbleiter hingegen erreichen zulässige Sperrschichttemperaturen von 200 °C und mehr.

INHALT:
SOI-Technologie für Sperrschichttemperaturen von 200 °C
Bis zu 50-mal geringere Leckströme dank SOI
Latch-up-freier Betrieb bis 200 °C
Mikrocontroller für extreme Umweltbedingungen
Qualifiziert nach AEC-Q100 Grade 0
Bürstenloses 3-Phasen- DC-Motor-System
DC-Motor-Steuerung mit H-Brücke
Autoren

Der Anteil der Elektronik im Kraftfahrzeug steigt immer weiter an. Dies gilt auch für Bereiche, in denen bisher wegen der rauhen Umgebungsbedingungen ein Einsatz von Elektronik wirtschaftlich nur schwer, wenn nicht gar unmöglich war, wie zum Beispiel direkt an Motor oder Getriebe, im Turbolader oder am Abgasrückführsystem. Hier besteht seit langem der Wunsch nach kompakten und wirtschaftlichen mechatronischen Systemen, die zusammen mit dem Motor direkt an die zu steuernde Mechanik angebracht werden können. Die hier auftretenden Temperaturen machen den Einsatz von spezieller Hochtemperaturelektronik unabdingbar (das sind Schaltungen, deren Einsatz- bzw. Betriebstemperatur den üblichen Anwendungsbereich von 125 °C übersteigt). Als Anforderung werden hierbei Umgebungstemperaturen von 150 °C genannt, wobei bereits der Ruf nach 175 °C und mehr zu vernehmen ist. Das Problem ist, dass es nicht ausreicht, wenn einzelne Elektronikkomponenten den hohen Anforderungen gerecht werden – nein, alle Komponenten eines solchen Systems (die Treiberbausteine, die Bausteine für die Versorgung des Systems und der Mikrocontroller) müssen diese Anforderungen erfüllen.

Da speziell im Bereich Treiberbausteine als auch bei den Bausteinen, die die Systeme versorgen, zum Teil erhebliche Verlustleistung entsteht, sind hier zulässige Sperrschichttemperaturen im Bereich von 175 bis 200 °C erforderlich.

SOI-Technologie für Sperrschichttemperaturen von 200 °C

Dieser Temperaturbereich ist jedoch mit Halbleitern, die auf standardmäßigem Substrat-Material (Bulk-Silizium) aufgebaut sind, nicht mehr zu erreichen.

Die wichtigsten Gründe sind in diesem Zusammenhang die bei hohen Temperaturen dramatisch ansteigenden Leckströme sowie das Latch-up- Verhalten der Bauelemente. SOI-Material (SOI = Silicon on Insulator) bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichem Substrat-Material.

Bisherige Substrat-Technologien sind im Allgemeinen auf eine elektrische Isolation von sperrgepolten PN-Übergängen angewiesen. SOITechnologien hingegen bieten die Möglichkeit, einzelne Bauelemente komplett mit Oxid zu isolieren, sowohl lateral als auch vertikal (Bild 1).

SOI-Technologien verfügen über keine Wannen, die das Substrat berühren, und bieten daher keine entsprechenden Leckstrompfade. Leckstrompfade zum Substrat sind jedoch bei Bulk-Technologien mit steigenden Temperaturen zunehmend von Bedeutung, da die erzeugten Ladungsträger in PN-Übergängen dramatisch zunehmen.

Als Systemlösung im Hochtemperaturbereich für DC-Gleichstrom-Motoren bieten sich der Mikrocontroller ATmega88 und der speziell für HBrücken- Motortreiber entwickelte System-Basis-Chip (SBC) ATA6824 an (Bild 10). Ebenso wie der ATmega88 ist auch der ATA6824 für Umgebungstemperaturen bis zu 150 °C qualifiziert. Der ATA6824 lässt sich darüber hinaus bei Sperrschichttemperaturen bis zu 200 °C betreiben. Die benötigten externen Power-MOSFETs für die Leistungsschalter sind problemlos für Sperrschichttemperaturen bis 175 °C erhältlich.

Der SBC ATA6824 umfasst neben den Treiberstufen für die externen Power-MOSFETs einen Linearregler zur Versorgung der gesamten Baugruppe mit einer Spannung von wahlweise 3,3 oder 5 V, einen Watchdog und eine serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit anderen Baugruppen im Fahrzeug sowie zwei Low-Sideund zwei High-Side-Treiber zur Ansteuerung der externen Leistungs- MOSFETs.

Die High-Side-Schalter werden durch eine integrierte Ladungspumpe versorgt, was den Einsatz von kostengünstigen N-MOSFETs ermöglicht. Mit Hilfe der Ausgangsspannung der Ladungspumpe und einem invertiert betriebenen Power-MOSFETSchalter kann ein kostengünstiger Verpolschutz mit geringem Durchlasswiderstand und geringer Verlustleistung realisiert werden (s. Bild 10).

Die komplette Bewegungssteuerung des Motors per H-Brücke wird von der integrierten Steuerlogik des ATA6824 übernommen.

Als Eingangssignale genügen ein PWM-Signal mit einer Frequenz bis zu 25 kHz zur Geschwindigkeitsvorgabe und ein Richtungssignal. Entsprechend den aktivierten Ausgangsstufen werden die zugehörigen Drain-Source-Spannungen auf Kurzschluss überwacht.

Bei Bedarf kann der präzise Motorstrom über einen Shunt-Widerstand in der Masse-Leitung der H-Brücke gemessen werden. Mit Hilfe der Diagnose- Pins des ATA6824 ist der Mikrocontroller in der Lage, den Brückentreiber zu überwachen.

Kurzschluss und Lastabriss an der Brücke werden ebenso erkannt wie Überspannung und Übertemperatur, im Fehlerfall wird die H-Brücke abgeschaltet. Der Mikrocontroller kann das Ereignis über die serielle Schnittstelle an das Fahrzeug weitermelden. gs

Internet:

[1] Homepage von Atmel: www.atmel.com