Neuer Mikrocontroller für elektrische Motorsteuerungen Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash

Angetrieben durch die allgemein gute weltwirtschaftliche Lage sowie das Wachstum in Asien und Lateinamerika, weist die europäische Industrie für industrielle Frequenzumrichter...

Neuer Mikrocontroller für elektrische Motorsteuerungen

Angetrieben durch die allgemein gute weltwirtschaftliche Lage sowie das Wachstum in Asien und Lateinamerika, weist die europäische Industrie für industrielle Frequenzumrichter (elektrische Motorsteuerungen) seit Jahren zweistellige Wachstumsraten auf. Die Zahl der in Europa gefertigten Umrichter wird inzwischen auf ca. 4 Mio. Stück pro Jahr geschätzt, davon zwei Drittel in der Klasse unter 500 kW. Der folgende Beitrag betrachtet diesen Kernbereich der Frequenzumrichtertechnik und zeigt, wie der neue Mikrocontroller SH7137F von Renesas in dessen Mitte zielt.

Die Umrichter im Kernbereich unter 500 kW sind hartem Wettbewerb ausgesetzt. Die Hersteller müssen nicht nur herausragende Regelungseigenschaften (Drehzahl, Drehmoment, Lage etc.) bieten, sondern auch zahlreiche industrielle Feldbusse sowie analoge und digitale Ein- und Ausgänge und Bedienerschnittstellen unterstützen. Die Maschinenbauer möchten alles in höchster Qualität, mit allen relevanten Zertifizierungen und zu besten Preisen bei Lieferzeiten im Tagebereich bestellen.

Bild 3 zeigt den Zellenaufbau von MONOS-Flash im Vergleich zu konventionellem NOR-Flash sowie die entsprechenden Ersatzschaltbilder. Die Ladungsträger auf dem Floating-Gate bestimmen, ob eine logische Eins oder eine Null gespeichert ist. Bei herkömmlichem Flash-Speicher ist das Floating-Gate leitend; somit drohen bei Lecks in der Oxidschicht alle Ladungsträger abzufließen. Bei MONOS-Flash findet die Ladungsträgerspeicherung in einer Speicherschicht um das Nitrid (Si3N4) herum statt, die nichtleitend ist, womit das Problem beseitigt ist.

Bild 4 entstand aus der Messung von 10 Millionen MONOS-Flashzellen in 50 SuperH-Mikrocontrollern. Eine schmale Verteilung der Schwellspannung Uth und ein weites Fenster zwischen den Zuständen „gelöscht“ und „programmiert“ sind für die zuverlässige Funktion wichtig. Abweichungen von der Verteilungskurve würden auf Ausreißerzellen hinweisen, also vereinzelte „schlechte Zellen“, die aus diversen Gründen Schwächen haben. Wie deutlich zu sehen ist, gab es unter den 10 Millionen MONOS-Flashzellen keine Ausreißer, ein Beweis für die engen Fertigungstoleranzen, die Renesas bei MONOS-Flash erzielt.

Ferner liegen die beiden Kurvenscharen weit auseinander. Bild 4 zeigt die 50 Mikrocontroller nach 1000 Programmierzyklen und nach Betrieb bei +150 °C über die angegebene Anzahl Stunden hinweg. Gut erkennbar ist eine charakteristische Eigenschaft von MONOS-Flash: Die Schwellspannung Uth für den programmierten Zustand fällt nach kurzer Zeit ab und bleibt dann konstant. Dieses Verhalten wird durch Ladungsausgleich hervorgerufen, nicht aber durch Ladungsverluste. Bei NOR-Flash ist es gerade umgekehrt. Der lange Auslauf von MONOS-Flash nach dem initialen Uth-Abfall ist ein typisches Zuverlässigkeitsmerkmal.

Durch dieses Verhalten von MONOS-Flash ist ein hochzuverlässiger Betrieb bei hohen Temperaturen zu erreichen, den beispielsweise Automobilzulieferer für Verbrennungsmotorsteuerungen verlangen. Das Bild zeigt weiterhin, dass der Abstand der Gelöscht/Programmiert-Kurven selbst nach 3000 Stunden Betrieb bei +150 °C groß ist und bemerkenswerterweise immer noch keine Ausreißer zeigt. fr