Sanft gegen EMI-Störungen Ansteuerung von Hochleistungsantrieben

In immer mehr Anwendungen im Auto kommen Hochleistungsantriebe zum Einsatz. Mittels einer elektronischen Regelung über den vollen Drehzahlbereich hinweg sinken dadurch nicht nur der Energie- und damit der Spritverbrauch, auch können dabei Riemen und Zahnräder entfallen. Allerdings fließen bei Anwendungen wie der Wasser-, der Öl- und der Servolenkungspumpe hohe Ströme, sodass starke elektromagnetische Störungen auftreten. Ein Motor-IC mit di/dt-Regelung soll da helfen.

Um in eine Zeit zu gelangen, zu der Fahrzeuge keinen Elektromotor enthielten, muss man schon Jahrzehnte zurückgehen. Damals erfolgte das Anlassen manuell, und sowohl das Kühlgebläse für den Motor als auch die Scheibenwischer waren mechanisch mit dem Motor verbunden. Doch mit zunehmenden Ansprüchen an den Komfort fanden immer mehr Elektromotoren Eingang in das Automobil.

Diese Motoren weisen eine geringe Leistung auf (unter 100 W), sie erfordern im Allgemeinen ein einfaches Relais zur Ansteuerung der Last, und sie stellen hinsichtlich Wirkungsgrad und Performance die beste Wahl in derartigen Systemen dar. Seitdem die Motoren indessen aus Gründen der Sicherheit eingesetzt werden, beispielsweise für Antiblockiersysteme und die Antriebsschlupfregelung, sind zuverlässigere Systeme zu ihrer Ansteuerung unumgänglich.

In der jüngeren Zeit verlagerte die Automobilindustrie ihren Fokus allerdings mehr auf einen sinkenden Kraftstoffverbrauch. Der Druck in Richtung eines Transports unter den Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit (Green Transportation) bedeutete eine Herausforderung an die Ingenieure, wo immer es im Fahrzeug möglich ist, »intelligente« und optimierte Lösungen zu finden.

Elektromotoren können eine eindrucksvolle Leistung erzielen, wenn sie von einer »intelligenten« Elektronik angesteuert werden. Eine elektronische Lösung ist besonders bei Motoren höherer Leistung (über 100 W) sehr nützlich. In modernen Kraftfahrzeugen setzen sowohl die Motorkühlung als auch die Gebläse mittlerweile eine elektronische Leistungsregelung ein, doch die Einsatzmöglichkeiten für Elektromotoren sind sehr breit gestreut.

Viele fahrzeuginterne Funktionen verwenden nach wie vor mechanische Systeme, die mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sind. Wasser- und Ölpumpen sind gute Beispiele, bei denen die Elektronik hinsichtlich des Wirkungsgrads zu wesentlichen Verbesserungen führen könnte. Bei einer elektrischen Regelung erfolgt die Energieversorgung des Motors höchst effektiv. Das stellt dadurch die genau zu jedem bestimmten Zeitpunkt benötigte Leistungsmenge sicher.

Eine Drehzahlregelung des Motors für Motorkühlung und Gebläse in Fahrzeugen zählt zu den neueren Innovationen. In älteren Fahrzeugen wurde eine solche Regelung mit Widerständen und Relais realisiert (Bild 1). Mit einem derartigen System wird die Motordrehzahl auf einige wenige diskrete Werte eingeschränkt. Für jeden einzelnen Geschwindigkeitswert wird ein dem Motor vorgeschalteter Widerstand benötigt.

Eine solche Lösung ist durch eine sehr schwache Performance gekennzeichnet, weil sich die Motordrehzahl nicht entsprechend den Leistungsanforderungen optimieren lässt. Die Folge ist, dass in den meisten Fällen der typische Wirkungsgrad unter 50% liegt. Die jüngsten Fortschritte in der Leistungselektronik ermöglichen den Einsatz eines drehzahlgeregelten Motors für viele Anwendungen.

Bei Einsatz einer Drehzahlregelung ist über den gesamten Lastbereich ein Systemwirkungsgrad von mehr als 90% erreichbar. Betrachtet man zum Beispiel ein typisches Motorkühlgebläse mit 400 W Nennleistung, dann verbraucht der elektronische Regler über einen typischen Lastzyklus hinweg 100 W weniger Leistung als der mit Vorwiderständen arbeitende Gebläseregler. Diese eingesparte Energie von 100 W entspricht einem Kraftstoffverbrauch von ungefähr 0,1 l auf 100 km.

Drehzahlregelung als Chance

Das Problem bei der PWM-Motorregelung liegt darin, die Anforderungen bezüglich elektromagnetischer Störungen (EMI) einzuhalten. Bei 20 kHz generiert das System Störungen auf der Batterieseite. Den größten EMI-Anteil trägt die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt während der Einschalt- und Ausschaltphase bei. Um den EMI-Anforderungen zu genügen, ist zwischen die Batterie und die Wechselrichterstufe ein passives Filter zu schalten.

Dieses Filter setzt sich üblicherweise aus zwei großen Kondensatoren und einer Spule zusammen. Die Kosten des Filters gehen stark in die Gesamtsystemkosten ein. In einem einfachen System, das einen MOSFET verwendet, besteht die einzige Möglichkeit, das di/dt zu senken, darin, zwischen Treiber-IC und MOSFET einen Gate-Widerstands einzubauen.

Diese Maßnahme verlangsamt zwar den Schaltvorgang und damit die elektromagnetischen Störungen, allerdings steigen auch die Schaltverluste drastisch an. Dies wiederum verringert den Systemwirkungsgrad und macht einen größeren Kühlkörper erforderlich. In solchen Systemen muss ein Kompromiss zwischen der Größe des EMI-Filters und der des Kühlkörpers geschlossen werden.

Der »AUIR3330S« von International Rectifier (Bild 2) enthält eine proprietäre di/dt-Regelung am Ausgang, welche die in das Batteriebordnetz geleitete Emission reduziert. Durch diese aktive di/dt-Regelung können Entwickler sowohl die EMI als auch die Verlustleistung optimieren. So soll der bisherige Kompromiss zwischen der Größe des EMI-Filters und der des Kühlkörpers der Vergangenheit angehören.

Dieses spezielle Feature setzt eine spezifische Formgebung des Gates im MOSFET voraus, die sich mit diskreten Bauelementen nicht implementieren lässt. In normalen Anwendungen, die einen diskreten MOSFET mit einem Treiber-IC einsetzen, werden die Schaltzeiten durch eine Regelung des Ansteuerstroms mithilfe eines Gate-Widerstands geregelt.

Darüber hinaus kann der AUIR3330S jede Motorart über den vollen Drehzahlbereich hinweg regeln. Durch den hohen Integrationspegel kann der Designer eine kompakte Lösung entwickeln. Mit einigen wenigen externen Komponenten lässt sich rasch eine Entwicklung mit dem vollem Drehzahlbereich umsetzen.

Aktive di/dt-Regelung

Während des Einschaltens legt der Treiber einen hohen Strom an, damit der Schwellenwert des MOSFETs so schnell wie möglich erreicht wird (Bild 3). Sobald der Strom im MOSFET zu fließen beginnt, sinkt der Gate-Strom und schränkt dadurch das di/dt ein. Wenn die Drain-Source-Spannung abzufallen beginnt, nimmt der Gate-Strom zu und begrenzt dadurch die Schaltverluste.

Im Vergleich zu einem über einen Widerstand angesteuerten MOSFET bleiben die Schaltverluste während der di/dt-Phase gleich, sie liegen jedoch während des du/dt wesentlich niedriger. Deshalb ist die Verlustleistung im AUIR3330S bei gleichem EMI-Pegel beträchtlich geringer, und aus diesem Grunde kann der erforderliche Kühlkörper kleiner ausfallen.

Die aktive di/dt-Regelung benötigt einen komplizierten Treiber, der in der Lage ist, während der verschiedenen Schaltphasen unterschiedliche Gate-Ströme anzulegen. Außerdem enthält der AUIR3330S »intelligente« Schaltkreise, um die di/dt- und die du/dt-Phasen zu erkennen. Moderne Motorregelapplikationen benötigen darüber hinaus weitere Features wie zum Beispiel Schutz- und Diagnosefunktionen.

Im AUIR3330S sind Features integriert, die jeden Systemfehler in einem abnormalen Modus verhindern, darunter beispielsweise bei Übertemperaturbedingungen, bei Kurzschlüssen am Ausgang und bei einem Verlust der Masseverbindung oder von Bootstrap-Kondensatoren. Der Baustein wird gegen jede der erwähnten Fehlerbedingungen geschützt, und er gibt ein Diagnosesignal an den Mikrocontroller aus.

Die Diagnose besteht aus einem Digitalwert, der von der MCU direkt ausgelesen werden kann. Zusätzlich hat der AUIR3330S eine Stromrückkopplungsfunktion, mit der sich der Laststrom durch Messung der Spannung über dem Widerstand Rifb auslesen lässt (Bild 2). Das System kann den Laststrom überwachen und so die an die Last abgegebene Leistung steuern.

Auch Stillstandsbedingungen des Motors sind erkennbar. Die Strommess-Rückkopplung wird zur Schwellenwerteinstellung des Überstromschutzes verwendet. Sobald die Spannung über dem Rifb-Widerstand den Wert von 4,5 V überschreitet, schaltet der AUIR3330S den Ausgang automatisch ab. Durch dieses Merkmal lässt sich jeder Fehler der Verdrahtung oder des Motors bei Stillstand vermeiden; die Werte lassen sich je nach Systemanforderung einstellen.

Über den Autor:

David Jacquinod ist Product Marketing Manager im Geschäftsberiech Automotive Products bei International Rectifier.