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Moderne MOSFET-Technologien erhöhen Fahrzeugeffizienz

Fit für die Zukunft

1. Juni 2015, 10:11 Uhr | Von Georges Tchouangue

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anwendungen schneller entwickeln

PWM- und Wechselrichter-Steuerungen können den Wirkungsgrad von Motoren in Gebläsen, EPS-Systemen und Klappensteuerungen für Öl-, Wasser- und Kraftstoffpumpen verbessern. Anstelle riemengetriebener Systeme kommen immer häufiger elektrische Pumpen zum Einsatz. Weil durch Verbrennungsmotoren getriebene Lasten entfallen, verringert sich der Kraftstoffverbrauch. Auch EPS senkt die Motorbelastung und ist leichter als eine herkömmliche hydraulische Servolenkung. Vorteile: Das Fahrerlebnis verbessert sich und der Kraftstoffverbrauch sinkt.

Toshiba hat Referenz-Boards im Portfolio, mit denen sich Treiber für Wasser-, Öl- und Kraftstoffpumpen schneller entwickeln lassen. Sie basieren auf einer Low-Side-PWM-Steuerung für sensorlose 3-Phasen-BLDC-Motoren. Die Boards sind mit dem sensorlosen 3-Phasen-Gate-Treiber TB9061AFNG für eine 3-Phasen-Halbbrücke ausgestattet. Diese besteht aus p- und n-Kanal-MOSFETs wie dem TJ20S04M3L und dem TK20S04K3L für Anwendungen im unteren Leistungsbereich.

Für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich stehen p- und n-Kanal-MOSFETs mit höheren Nennströmen wie der TJ80S04M3L und TK100S04N1L zur Verfügung. In EPS-Systemen kommen bürstenbehaftete DC-Motoren zum Einsatz. Das Referenz-Board TB9052 verfügt über einen H-Brückentreiber für N-Kanal-MOSFETs wie dem TK80A04K3L oder TK100S04N1L für EPS-Motorsteuerungen und andere Systeme bis 200 W Leistungsaufnahme. Die Anforderung bei der Entwicklung von Steuerungen für Gebläsemotoren und Lüfter ist ein leiser Betrieb. Am besten eignen sich dafür 3-Phasen-BLDCs mit sinusförmiger Ansteuerung. Das Referenz-Board TB9080 (Sinuswellen-Gate-Treiber) ist für Designs mit 100 bis 200 W Leistungsaufnahme ausgelegt und enthält eine 3-Phase-Brücke mit sechs N-Kanal-MOSFETs wie dem TK20S04K3L oder TK100S04N1L.

Gate-Ansteuerung als Relais-Ersatz

Die Gehäuse- und Halbleitertechnik moderner MOSFETs wie der Baureihe U-MOS 8 ermöglicht eine hohe Strombelastung bis 200 A in Standardgehäusen. MOSFETs können in Anwendungen mit hoher Schaltlast somit herkömmliche mechanische Relais ersetzen. Damit ergeben sich kleine und leichte Steuergeräte, die noch zuverlässiger arbeiten.

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Toshiba nutzt die Abmessungen des PS-8-Gehäuses für seinen Treiber TPD7104F, der Hochstrom-MOSFETs wie den TK200F04N1L (40-V-/200-A-MOSFET im TO-220SM(W)-Gehäuse) ansteuert. Der Treiber enthält eine digitale Steuerung, Schutzschaltkreise und eine Ladungspumpe, um die erforderliche Gate-Spannung für eine High-Side-Ansteuerung in PWM-Anwendungen bereitzustellen. Bild 6 zeigt ein Blockdiagramm des Treibers und wie dieser als direkter Relais-Ersatz beim Schalten von Lasten zum Einsatz kommt.

Ausblick

Der Trend hin zur Elektrifizierung ist ungebrochen. Leistungselektronik sorgt dafür, dass Fahrzeuge in Zukunft weniger Kraftstoff verbrauchen, weniger Abgase erzeugen, zuverlässiger werden sowie mehr Komfort und Sicherheit bieten.

Leistungs-MOSFETs kommen vermehrt in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sowie in Hybrid- und Elektro-Autos zum Einsatz. Herkömmliche, über den Fahrzeugmotor angetriebene Nebenaggregate, wie Wasser- und Ölpumpen, werden durch elektronisch gesteuerte Alternativen ersetzt. Zudem lösen halbleiterbasierte Lastschalter traditionelle Relais ab. Selbst wenn der Durchlasswiderstand nur um wenige Milliohm sinkt, erhöht sich so der Wirkungsgrad des gesamten Fahrzeugs erheblich.

Der Autor

Georges Tchouangue
ist Chefingenieur Automotive bei Toshiba Electronics Europe. Er hat einen Doktorgrad im Bereich Leistungshalbleiter und Anwendungen sowie einen Abschluss auf dem Gebiet der Automatisierungstechnologie. Tchouangue arbeitet seit mehr als 13 Jahren als Ingenieur im Bereich Leistungselektronik.