Von Gleichspannung zur PWM-Steuerung:
Ein lohnender Wandel
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Antriebsmethoden
Für den Antrieb und die Steuerung eines Motors wird i.d.R. ein DC-Bias- oder ein PWM-Verfahren (Pulsweitenmodulation) angewandt. Die folgenden Beschreibungen gehen von der Verwendung eines Treiber-IC aus.
Im Fall der Spannungsregelung eines Gleichspannungsantriebs wird eine Gleichspannung URef für den Motorantrieb und eine Spannung UCC für die IC-Stromversorgung eingesetzt. Im Prinzip handelt es sich um einen Linearregler und es ergeben sich Nachteile in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Wärmeerzeugung: Die ganze Energie wird zur Verlustleistung (1).
PLoss = (UCC – URef) ∙ I; wobei UCC = UIn und URef = UOut (1)
Im Vergleich dazu kann man sich die Pulsweitenmodulation als Schaltregler vorstellen. Im Wesentlichen moduliert sie die Zeit (Pulsbreite) der Spannung UCC der Schaltung (an/aus) und treibt den Motor mit der erzielten Durchschnittsleistung, was zu einem effizienteren Betrieb führt, da der Stromversorgung nicht mehr Leistung als nötig entzogen wird.
PWM bietet im Allgemeinen auch Vorteile im Hinblick auf die Reaktionsfähigkeit und Regelgenauigkeit. Dennoch gibt es limitierende Faktoren wie Ursprung des PWM-Signals, anfallende Kosten und Platzbedarf der Komponenten.
PWM-Antrieb mit DC-Eingang
Diesen Herausforderungen begegnet Rohm mit den H-Brücken-Treibern der Serie BD62XX. Dabei wird eine traditionelle Spannungssteuerung über eine Spannung URef intern in eine PWM-Steuerung umgesetzt. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad ohne zusätzliche externe Komponenten möglich. Dabei ist aber auch ein direkter PWM-Eingang möglich. Die implementierte Ausgangsstufe einer p-n-Kanal-MOSFET-Konfiguration verringert die Verluste im Vergleich zu bipolaren Transistoren und macht eine Spannungserhöhung überflüssig. Die integrierte Schutzschaltung gegen Durchgangsstrom hindert die oberen und unteren MOSFETs daran, gleichzeitig zu schalten, was einen irregulären Stromfluss verursachen würde. Insgesamt sind vier Schutzschaltungen verbaut.
Die herausragende Eigenschaft des Bausteins ist jedoch die Funktion „PWM-Antrieb in Verbindung mit einem Gleichspannungseingang“. Der Mechanismus arbeitet wie folgt: Wird wie bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Vorspannungsantrieb eine Gleichspannung an dem URef-Pin angelegt, so wird mit dem URef/UCC-Verhältnis eine interne Konversion zum PWM-Signal durchgeführt und das Signal durch die PWM-Ansteuerung ausgegeben. Dies ist ein nützlicher Mechanismus für Anwender, die von einem DC- zu einem PWM-Antrieb wechseln möchten, jedoch keine PWM-Signalquelle haben. Da ein direkter PWM-Eingang auch weiterhin möglich ist, ist ein hohes Maß an Design-Flexibilität gegeben.
Wie Bild 4 zeigt, ermöglicht die eingebaute URef-PWM-Wandlerschaltung eine PWM-Ansteuerung mit Gleichspannung. Zu sehen ist der Betrieb mit FIN- und RIN-Logikeingängen (Tabelle). Zusätzlich ist es möglich, ein externes PWM-Signal direkt über die Eingänge FIN oder RIN einzuspeisen. Ein Ausgangsstufen-Transistor (Schalter) mit p-n-Kanal-MOSFET-Konfiguration erfordert keine Spannungserhöhung und ermöglicht eine geringere Anzahl von Komponenten.
Es ist möglich, solch eine H-Brücken-Motortreiberschaltung mit einer diskreten Konfiguration zu realisieren, allerdings ist es äußerst schwierig, sie mit Schutzfunktionen auszustatten. So ist es beispielsweise notwendig, MCUs mit analogem Front End zu kombinieren, damit für den Betrieb die Messergebnisse für Temperatur, Strom sowie Spannung etc. ermittelt werden können. Eine solche Konfiguration erfordert eine größere Anzahl an Komponenten als etwa eine Treiber-Schaltung. In einem IC ist die Elektronik in einer Einheit integriert und mit folgenden Schutzfunktionen ausgestattet:
- Durchgangsstromschutzschaltung (verhindert Fehlschaltungen der Treiber-MOSFETs)
- TSD (Schaltkreis für thermische Abschaltung)
- OCP (Überstromschutz)
- OVP (Überspannungsschutz)
- UVLO (Under-Voltage Lock-out – Unterspannungsschutz)
PWM-gesteuerte H-Brücken-Motortreiber mit integriertem MOSFET können den Wirkungsgrad steigern und den Strombedarf verringern. Mit ihnen kann ein PWM-Antrieb mit Gleichspannungseingang realisiert werden, was sie zu einer Alternative zu bestehenden DC-Bias-Steuerschaltungen ohne zusätzliche PWM-Schaltung macht.
- Ein lohnender Wandel
- Antriebsmethoden
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
ROHM Semiconductor
Energieeffiziente Bauelemente für IoT und Industrie 4.0
PCIM Europe 2015
Rohm zeigt 3. Generation seiner SiC-MOSFETs
Funktionale Sicherheit
Skalierbare Sicherheits- und Antriebslösungen
Siliziumkarbid – Teil 1
SiC - Das Material und seine Eigenschaften
