Fehler vermeiden – High-Side-Treiber in Motorbrücken
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Fehler vermeiden – High-Side-Treiber in Motorbrücken
Etwas problematischer wird dieses Schaltungskonzept, wenn eine Brückenkonfiguration oder ein monolithisches IC über SPI gesteuert ist. Aufgrund der Übertragungsgeschwindigkeit sind hier für die Leitungen DO, DI und CLK nur relativ niederohmige Trennwiderstände verwendbar, die bei Verpolung des Treibers einen signifikanten Strom ziehen können, der oft die „maximum Ratings“ überschreitet. Hier empfiehlt sich ein Verpolschutz in der Ubatt-Leitung. Dies ist ähnlich realisierbar wie in Bild 4, jedoch ist ein P-Kanal-MOSFET erforderlich mit einem Gate-Widerstand nach Masse.
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Verpolschutz mit N-Kanal- MOSFET mit Ladungspumpe
Leider sind niederohmige P-Kanal-MOSFETs kostspielig und oft nicht automotive-tauglich. Der Ausweg ist ein N-Kanal-MOSFET mit Ladungspumpe, denn die Gate-Spannung muss oberhalb des Ubatt-Potentials liegen. Bild 5 zeigt einen Lösungsweg mit überschaubarem Aufwand.
Die diskreten Bauteile zwischen T1 und dem Verpolschutz-MOSFET T2 bilden eine Ladungspumpe, die das Gate mit einer positiven Gleichspannung versorgt, solange ein Clock-Signal an der Basis von T1 liegt.
Die Frequenz ist nicht relevant, sollte jedoch nicht zu niedrig sein – sonst werden die Kondensatoren C1 und C2 zu groß. Da zumeist ein Mikrocontroller verfügbar ist, kann dieser auch die Taktfrequenz generieren. Bei Verpolung ist das CLK-Signal nicht mehr vorhanden und der Widerstand R2 sperrt den MOSFET.
Einige Motorbrücken mit SPI-Ansteuerung haben bereits eine interne Ladungspumpe, die zur Versorgung des Gate mit verwendet werden kann (Bild 6).
Hierdurch vereinfacht sich die Schaltung nochmals. Der Transistor T1 leitet bei Verpolung und schließt Gate und Source kurz, wodurch der MOSFET sperrt.
Ohne T1 würde der MOSFET bei Verpolung einschalten, denn der Ladungspumpenausgang liegt bei fehlender Versorgung der Motorbrücke auf Massepotential.
Einige Motortreiber, beispielsweise für Türmodule, haben bereits einen speziellen Ausgang zur Ansteuerung eines N-Kanal-Verpolschutz-Transistors (Bild 6).
Bei fehlender Versorgung des Motortreibers und negativ angelegter Spannung sperrt der Gate-Treiber, was dem Widerstand zwischen Gate und Source erlaubt, den MOSFET zu sperren. sj
 | Herbert Sax ist Senior Manager Marketing & Application bei STMicroelectronics. Er kann auf die Erfahrung aus 45 Berufsjahren in der Elektronik-Entwicklung, davon 15 Jahre im automotive Bereich, zurückgreifen. |
Die Spannung am Source von HSD 1 liegt hierbei etwa 1 V über dem Ubatt-Potential. Übernimmt der Low-Side-MOSFET wieder den Strom, wird das Source-Potential von HSD 1 sehr rasch auf Masse gezogen. Die Miller-Kapazität Cdg hält das Gate-Potential jedoch hoch, wobei der MOSFET von HSD 1 im Analogbetrieb leitet. Bis der Gate-Widerstand die Miller-Kapazität aufgeladen hat, fließt ein hoher Strom im Querzweig der Halbbrücke. Je schneller der Low-Side-MOSFET einschaltet, umso höher ist der Querstrom.
Damit der Querstrom keinen kritischen Wert hinsichtlich Verlustleistung und EMV annimmt, muss insbesondere die Steilheit der Einschaltflanke des Low-Side-MOSFET limitiert werden, was natürlich Schaltverluste generiert. Dies begrenzt damit den nutzbaren Schaltfrequenzbereich. In der Praxis liegt das Limit im Bereich von 5 kHz und erreicht damit nicht das 20-kHz-Ziel, das viele Autohersteller vorgeben. Motorbrücken mit High-Side-Treibern sollten vorwiegend in Systemen genutzt werden, bei denen keine Taktung gefordert ist. Inzwischen gibt es spezielle Multi-Chip-Brücken in einem Gehäuse (Bild 3), die zwar auch mit High-Side- und Low-Side-Treibern realisiert, jedoch für diese Aufgabe optimiert sind; Schaltfrequenzen bis 20 kHz sind dann möglich.
- Fehler vermeiden – High-Side-Treiber in Motorbrücken
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- Verpolschutz – aber wie?
