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Aktive Bauelemente ersetzen Relais in Türmodulen

Frischluft-Zufuhr schnell und einfach

11. Mai 2015, 14:19 Uhr | von Manuel Gärtner und Giovanni Torrisi

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Intelligente MOSFET-Ansteuerung

Besonderes Augenmerk wurde auf die Gate-Treiber-IP (Bild 3) gerichtet. Diese steuert die externe Leistungs-Brückenschaltung an, die letztendlich den Motor treibt. Die elektromagnetische Verträglichkeit während des Schaltens der externen Leistungs-MOSFETs ist von entscheidender Bedeutung, da sich die Türmodul-ECU mit ihrem Kabelbaum in der Nähe der Antennen für den Radioempfang befindet. Schließlich wäre es nicht hinnehmbar, dass die von den Fahrzeuginsassen erwartete Audioqualität beeinträchtigt wird, sobald die Fensterheber aktiviert werden. Aus diesem Grund wurde für die MOSFETs eine intelligente Ansteuerung entwickelt. Während der kritischen Schaltphase im Bereich des Miller-Plateaus wird die Anstiegsgeschwindigkeit durch SPI-programmierbare Stromquellen mit 5 bit Auflösung (das entspricht einer Stufung von 1 mA) vorgegeben. Das ermöglicht ein ideales Laden sowie Entladen des MOSFET und ergibt überragende Schalteigenschaften.

Die Leistungsfähigkeit des Treibers lässt sich auf diesem Weg genau auf die anwenderspezifische Applikation und den verwendeten MOSFET zuschneiden. Ebenfalls per SPI programmierbar ist die Totzeit zum Verhindern von Querströmen im Gleichspannungs-Zwischenkreis. Nach Passieren des Miller-Plateaus werden die externen MOSFETs im geschalteten Modus angesteuert, um ein schnelles und vollständiges Einschalten zu erreichen und unerwünschte Verluste vor dem Erreichen des finalen RDS(on) zu verhindern. Notwendig ist dieses harte Schalten auch, um ein Einschalten des abgeschalteten MOSFET infolge des Miller-Effekts während der Phasenumschaltung zu unterbinden. Das ist äußerst wichtig für die EMV des Systems und die Verlustleistung. Die gesamte Ansteuerungs-Strategie ist einfach beherrschbar und lässt sich per SPI programmieren.

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Das CP-Konzept unterstützt das für die Ansteuerung von Gleichstrommotoren unbedingt notwendige Tastverhältnis von 100 Prozent. Die unkontrollierte Bewegung oder Beschleunigung eines Fensterhebers ist sicherheitskritisch, beispielsweise für den Einklemmschutz zur Vermeidung schwerer Unglücke. Aus diesem Grund hält die Topologie des Bausteins mehrere Funktionssicherheits-Features bereit. Einerseits lässt sich die Aktivierung des Fensterhebers durch ein Sicherheitsbit in einem Konfigurationsregister unterbinden. Zur Freigabe muss ein Schreibzugriff auf dieses Bit vorgenommen werden.

Auf Systemebene ist andererseits ein Sicherheitskonzept unter Einbindung des Companion Chip L99PM62GXP oder L99PM72GXP verfügbar. Bei einem sicherheitsrelevanten Vorfall werden die Leistungsstufen über einen redundanten und unabhängigen Weg abgeschaltet. Diese ausfallsichere Strategie wurde bereits bei den ersten Automobilherstellern mit positivem Resultat verifiziert und geht in verschiedenen Plattformen in die Produktion.

Abgesehen von der PWM-Ansteuerung des Fensterhebers erfüllt der L99DZ80 (Bild 4) sämtliche Anforderungen an ein modernes Fronttürmodul.

Schritt für Schritt

STMicroelectronics hat sein Angebot an ASSPs für die Türmodul-Elektronik durch neue, skalierbare Spezial-Chipsätze erweitert, die auf die Anforderungen PWM-angesteuerter Fensterheber abgestimmt sind. Die Topologie des Treiber-ASSP wurde überarbeitet und auf den aktuellen Stand gebracht, so dass nun eine kostenmäßig wettbewerbsfähige Halbleiterlösung bereitsteht, die die üblicherweise zur Steuerung der Fensterhebermotoren verwendeten Relais ablösen wird. Die Eigenschaften, die die Halbleiterlösung hinsichtlich der Kosten, der Zuverlässigkeit und des Funktionsumpfangs bietet, sowie die von ihr erschlossenen zusätzlichen Möglichkeiten stellen jedoch einen ersten Schritt dar, die Relais vollständig aus der Tür zu verdrängen. Dieser Prozess wird in den nächsten Jahren schrittweise ablaufen und auch die Fahrzeugplattformen der mittleren bis unteren Kategorie erfassen.

Die Autoren

Dipl.-Ing. Manuel Gärtner
studierte Elektrotechnik an der TU Berlin. Bevor er 1999 als Marketing Manager zu STMicroelectronics wechselte, war er als Design-Ingenieur bei Infineon tätig. Im Unternehmen ist Manuel Gärtner als Senior Marketing Manager and Team Leader Power Train & Safety EMEA beschäftigt.