Texas Instruments Leistungsdichte von Antrieben verdoppeln

Die Kombination aus der intelligentem Gatetreiber DRV8323 und dem Power-Block CSD88584Q5DC erreicht eine Leistungsdichte von 11 W/cm³ und liefert über mehr als 1 s einen Spitzenstrom von 160 A.
Die Kombination aus der intelligentem Gatetreiber DRV8323 und dem Power-Block CSD88584Q5DC erreicht eine Leistungsdichte von 11 W/cm³ und liefert über mehr als 1 s einen Spitzenstrom von 160 A.

Mit einer neuen Gate-Treiber-Architektur erlaubt es TI, die Leistungsdichte in Antrieben von BLCDs deutlich zu erhöhen und damit die Größe viele Geräte wie Elektrowerkzeuge reduzieren.

Die für den Einsatz in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLCDs) entwickelten Gatetreiber der Reihe DRV832x und die NexFET-Power-Blocks der Typen CSD88584/99 nehmen auf der Leiterplatte eine Fläche von 511 mm² ein, laut Texas Instruments die Hälfte der Fläche, die bisher erforderlich war.  Die Kombination liefert 700 W Motorleistung ohne Kühlkörper und stellt ohne zusätzlichen Platzbedarf einen um 50 Prozent höheren Strom zur Verfügung. Die kürzeren Leiterbahnen verhindern aktiv ein ungewolltes Einschalten der FETs. Gleichzeitig wird Schutz vor Unterspannungen, zu hohen Strömen und Überhitzung geboten.

Die BLDC-Gatetreiber DRV832x basieren auf einer intelligenten Gatetreiber-Architektur, die bis zu 24 Bauelemente ersetzen kann, die bisher zum Einstellen des Gatetreiberstroms eingesetzt wurden. Gleichzeitig erlauben Sie es den Designern, die FET-Schaltvorgänge einfach zur Optimierung der Verlustleistung und der EMV-Eigenschaften anzupassen.
Der Switch-Node Clip der Power Blocks hilft bei der Beseitigung parasitärer Induktivitäten zwischen den high- und low-seitigen FETs. Die Integration passiver Bauelemente im Gatetreiber DRV832x minimiert außerdem die Leiterbahnen auf dem Board.

Auf den Power-Blocks der Typen CSD88584Q5DC und CSD88599Q5DC sind zwei FETs in einer speziellen Stacked-Die-Konfiguration angeordnet, die die Leistungsdichte verdoppelt und den Widerstand und die parasitären Induktivitäten gegenüber nebeneinander angeordneten FETs minimiert. Weil die  Power Blocks CSD88584Q5DC und CSD88599Q5DC im thermisch optimierten DualCool-Gehäuse von TI untergebracht sind, können die Designer an der Oberseite der Bausteine Kühlkörper anbringen, um den Wärmewiderstand zu reduzieren und dafür zu sorgen, dass mehr Leistung abgeführt werden kann, ohne den Bereich der sicheren Betriebstemperaturen für das Board und die Applikation insgesamt zu verlassen.

Ein Referenzdesign mit einem kompakten 18-V-BLDC-Motor demonstriert, wie die Kombination aus der intelligentem Gatetreiber DRV8323 und dem Power-Block CSD88584Q5DC eine Leistungsdichte von 11 W/cm³ erreicht und gemeinsam über mehr als 1 s einen Spitzenstrom von 160 A liefert.  Damit lässt sich die Größe vieler Geräte wie Elektrowerkzeuge, integrierter Motormodule und Drohnen reduzieren.

Neben dem 18-V-BLDC-Motor-Referenzdesign stehen Ingenieuren noch weitere Motor-Referenzdesigns zur Verfügung, in denen die Power Blocks und Gatetreiber zum Einsatz kommen. Das Three-Phase Smart Gate-Driver Evaluation Module (EVM) ermöglicht Designern das Ansteuern eines 15-A-Dreiphasen-BLDC-Motors mit dem Gatetreiber DRV8323R, dem Power Block CSD88599Q5DC und dem Microcontroller-LaunchPad-Development Kit MSP430F5529. Das EVM ist für 99 Dollar im TI Store erhältlich.

Die neuen intelligenten Gatetreiber der Reihe DRV832x stellt TI mit verschiedenen Peripherie- und Interface-Optionen zur Verfügung, damit die Ingenieure den jeweils geeignetsten Baustein für ihren Anwendungsfall auswählen können: mit oder ohne integrierten Abwärtswandler oder drei integrierten Current-Shunt-Verstärkern. Jede Option ist mit einem Hardware-Interface oder mit serieller Schnittstelle lieferbar und sitzt in einem QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead). Die intelligenten Gate-Treiber (5 mm x 5 mm), Abwärtsregler (6 mm x 6 mm), Current-Shunt-Verstärker  (6 mm x 6 mm) und integrierten Abwärtsregler plus Current-Shunt-Verstärker (7 mm x 7 mm) kosten zwischen 1,41 und 2,26 Dollar.

Die Power Blocks CSD88584/99 werden in einem DualCool-SON-Gehäuse (Small Outline No-lead) angeboten, die eine Fläche von 5 mm x 6 mm einnehmen.  Sie erreichen Durchbruchspannungen (BVDSS) von wahlweise 40 und 60 V. Den typischen Einschaltwiderstand gibt TI mit 0,68 bzw. 1,7 mOhm an. Sie kosten 2,34 bzw. 2,63 Dollar.

Die für den Einsatz in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLCDs) entwickelten Gate-Treiber der Reihe DRV832x und die NexFET-Power-Blocks der Typen CSD88584/99 nehmen auf der Leiterplatte eine Fläche von 511 mm² ein, laut TI die Hälfte der Fläche, die bisher erforderlich war. Die Kombination liefert 700 W Motorleistung ohne Kühlkörper und stellt ohne zusätzlichen Platzbedarf einen um 50 Prozent höheren Strom zur Verfügung.

Damit lässt sich die Größe vieler Geräte wie Elektrowerkzeuge, integrierter Motormodule, Gartenwerkzeuge, Staubsauger, Drohnen, Service-Roboter und e-Bikes reduzieren. Es ist aber auch möglich, die Leistung bei gleicher Baugröße deutlich zu erhöhen.

Gleichzeitig schützen Ladungspumpen vor Unterspannungen, Sense-Amplifiers vor Überströmen und es wird Schutz vor Treiberfehlern und Überhitzung geboten. Die TDRIVE-Funktion zieht das Gate des Low-Side-FETs aktiv auf Null wenn der High-Side-MOSFET ansteigt. Würde der Low-Side-MOSFET dagegen auf das Niveau von V GS angehoben, würde er durchschalten, was das Ende der Leistungsstufe zur Folge hätte. »Dieser unangenehme Fehler war bisher nur schwer komplett auszuschalten und die Anwender mussten ziemlich viel ausprobieren, um zu einem verlässlichen System zu gelangen. Mit der TDRIVE-State-Maschine umgehen wir das Problem«, sagt  Michael Seidl, Systems Manager von TI. »Im kritischen Zeitfenster bleibt der Low-Side-FET also ausgeschaltet, der »cdV/dt-pick-up-shoot-through«-Effekt kann nicht auftreten. «

Die BLDC-Gate-Treiber DRV832x basieren auf einer intelligenten Gate-Treiber-Architektur, die 12 bis 24 passive Bauelemente ersetzen kann. Dazu gehören Widerstände und Dioden, die bisher zum dazu verwendet wurde, den Gate-Strom einzustellen und die Slew-Rate der MOSFETs auf Schaltverluste und EMI zu optimieren. Die Integration passiver Bauelemente im Gatetreiber DRV832x minimiert außerdem die Leiterbahnen auf dem Board.

Auf den Power-Blocks der Typen CSD88584Q5DC und CSD88599Q5DC sind zwei FETs in einer speziellen Stacked-Die-Konfiguration übereinander angeordnet. So verdoppelt sich bei gleicher Fläche  die Leistungsdichte, der Widerstand und die parasitären Induktivitäten reduzieren sich gegenüber nebeneinander angeordneten FETs.

Die beiden FETs sind jeweils in den thermisch optimierten DualCool-Gehäuse von TI untergebracht. Die Metallplatten auf der Ober- und Unterseite der Gehäuse erlauben es, mit forcierten Luftströmen und wenn erforderlich auch über Kühlkörper dafür zu sorgen, dass mehr Wärme abgeführt werden kann. Damit ist gewährleistet, dass der Bereich der sicheren Betriebstemperaturen für das Board und die Applikation nicht verlassen wird. Auf dem CSD88584Q5DC sind zwei 40-V-n-Kanal-NexFETs mit einem Einschaltwiderstand von je 0,68 mOhm untergebracht, auf dem CSD88599Q5DC zwei 60-V-n-Kanal-NexFETs mit je 1,7 mOhm. »Diese niedrigen Werte erreichen wird durch die beiden übereinander gestapelten und in Reihe geschalteten FETs«, sagt Michael Seidl. Und wie die beiden FETs in den DualCool-Gehäusen untergebracht sind, können sehr hohe Ströme im Bereich von 400 A über eine ms keinen Schaden anrichten.