Automotive / Power-Management MOSFET statt Relais

Der 12-V-Batteriebus wird auch weiterhin das Rückgrat der Stromversorgung im Auto bilden. Da der Bedarf an Innovation, Sicherheit und Komfort stetig wächst, steigen auch die Anforderungen an die Stromverteilung und die Absicherung. Das lässt sich etwa durch High-Side-Treiber bewerkstelligen.

Um die Forderung nach Elektrifizierung von üblicherweise riemengetriebenen Verbrauchern und neuen Komfortfunktionen im Automobil zu erfüllen, kommen am 12-V-Batteriebus immer häufiger neue leistungsstarke Verbraucher hinzu. Gleichzeitig ist es notwendig, Gewicht, Platzbedarf und Stromaufnahme für die ECUs zu reduzieren, um die Effizienz zu steigern und die Abgasemissionen von NOx und anderen Schadstoffen zu senken.

Mit einer neuen Reihe von High-Side-Treibern namens VIPower Zero möchte STMicroelectronics die Erwartungen an das Treiben und Schützen von 12-V-Verbrauchern mittlerer bis hoher Leistung erfüllen. Diese Familie trägt der gestiegenen Nachfrage nach mehr Komfortfunktionen im Auto Rechnung und versorgt Verbraucher wie Scheiben-, Luft-, Wasser- oder Kraftstoffheizungen. Sie wird auch als Rückgrat oder als Sekundärschalter in Stromverteilern eingesetzt, die im Auto überall zu finden sind.

Derzeit gilt der Einsatz elektromechanischer Relais für leistungsstarke Verbraucher als preiswerte Lösung. Diese weisen jedoch Nachteile auf, von denen hier nur einige zu nennen sind: wahrnehmbares Geräusch, kurze Lebensdauer, keine Möglichkeit für einen PWM-Betrieb, fehlende Möglichkeit der Diagnose, hohe Stromaufnahme und großer Platzbedarf auf Leiterplatten. Aus diesem Grund haben die Automobilhersteller begonnen, nicht nur Relais für niedrige Ströme, sondern auch für hohe Ströme durch robuste, störungsfreie und miniaturisierte Komponenten zu ersetzen.

Die unbestrittenen Vorteile bei der Implementierung der High-Side-Treiber wie die vom Typ VIPower Zero sind:

  • Extrem niedrige Fehlerrate (FIT),
  • keine Klickgeräusche im Auto,
  • kleine Grundfläche,
  • genaue Überwachung des Laststroms durch eine integrierte Strommessung,
  • Anpassung der Ausgangsleistung durch Pulsbreitenmodulation (PWM),
  • Steuerung der Last durch erweiterte Diagnose und Schutzfunktionen,
  • Möglichkeit, dank der intrinsischen Zeit-Strom-Kennlinie (I-t-Kurve) ein »intelligentes« Sicherungskonzept zu simulieren.

Ein weiteres Anwendungsgebiet in Fahrzeugen, bei denen die Nutzung von hochleistungsfähigen Halbleiterbauelementen drastisch zunimmt, sind Energieverteilungssysteme. Tabelle 1 fasst die Anwendungen im mittleren bis hohen Leistungsbereich (bis ca. 400 W) zusammen.

 

Konsolidierte AnwendungenKomfortfunktionenEnergieverteilung
Außen- und Innenbeleuchtung, Glühkerzen, verschiedene Gleichstromantriebe (z. B. Zentralverriegelung, Klimaanlage, Scheibenwischer, Pumpe der Waschanlage)PTC-Kabinenheizung, Sitzheizung, Scheibenentfrostung, Wasser- und TreibstoffheizungSchalter für die Busversorgung des Hauptkreises, Schalter für dezentrale LED-Module, Anlasser

 

Tabelle 1: Die drei Hauptanwendungsbereiche der VIPower-Zero-Serie.

Anwendungsbeispiele

Neue Komfortfunktionen im Auto sind die Heizungssysteme für die Sitze, das Lenkrad und die Kabinenheizung sowie Sonderlasten wie Rückscheiben- und Seitenspiegelenteiser. Im Bereich des Antriebsstrangs können dies Glühkerzen oder Kraftstoffheizungen sein. Üblicherweise benötigen solche Anwendungen bis zu 30 A. Im Komfortbereich ist eine der häufigsten Anforderungen die sehr schnelle Erwärmung des Cockpits und das Enteisen der Windschutzscheibe beim Anlassen an sehr kalten Tagen.

Als Teil der Klimaanlage (HVAC) ist eine PTC-Kabinenheizung entwickelt worden, um den Luftstrom aus dem Gebläse zu erwärmen. Die dort eingesetzten keramischen PTC-Elemente haben bei niedrigen Temperaturen einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand, sodass sie hohe Ströme ziehen und große Wärmemengen abgeben können. Steigt die Temperatur, nimmt auch ihr Widerstand nichtlinear zu, sodass sie weniger Wärme abgeben. Diese Selbstanpassung fungiert auch als elementare Sicherheitsfunktion, um eine Überhitzung zu verhindern.

Ein typisches PTC-Modul (13 V) besteht aus drei Heizelementen mit Lamellen (Bild 1). Diese liefern jeweils eine maximale Leistung von 330 W, insgesamt also 1 kW. Jedes der Elemente kann von einem High-Side-Treiber vom Typ VIPower Zero VN7004CLH angesteuert und geschützt werden. Die integrierte Strommessung des VN7004CLH gibt den PTC-Strom wieder und sendet ein Signal an den Mikrocontroller des Klimamoduls. Dieser nimmt diese Daten zusammen mit anderen Eingangsgrößen wie Batteriespannung, Umgebungstemperatur, Luftstrom auf und reguliert dementsprechend die an die Heizelemente zugeführte Leistung, indem er das Tastverhältnis des PWM-Signals an den PTC-Stäben variiert.

Der Energiebedarf in Fahrzeugen steigt stetig, denn die intelligenten Fahrerassistenzsysteme sowie die Umstellung von riemengetriebenen auf elektrische Lasten in Verbindung mit neuen Sicherheitsstandards benötigen mehr Energie. Dadurch werden die Kabelbäume immer schwerer und der Bauraum für die Elektronikmodule sowie deren Anordnung ist anspruchsvoll. Um den Herausforderungen heutiger und zukünftiger Versorgungssysteme gewachsen zu sein, braucht es neue technische Ansätze.

Bild 2 zeigt einen Überblick über die Energieverteilung in einem modernen Auto. Das BCM (Body Control Module) verfügt über integrierte High-Side-Treiber, um die vier LCM (Light Control Modules) an den Fahrzeugecken mit Strom zu versorgen. Dies vermeidet es, viele Kabel verlegen zu müssen, um alle Leuchten zu erreichen. Auf dem Batterie-Backbone lassen sich auch weitere Module über andere High-Side-Treiber (genannt #1, #2 etc.) aktivieren.

Die VIPower-Zero-Familie ist mit einer Reihe von Selbstschutzfunktionen ausgestattet, die das System vor zu hohen Strömen und Temperaturen schützen. Im Normalbetrieb stört eine eingebettete Strombegrenzung die Funktion des Versorgungsmoduls nicht. Bei Überlast oder Kurzschluss jedoch sorgt dieser intrinsische Schutzmechanismus des Chips dafür, dass die in der Last und im Kabelbaum abgegebene Verlustleistung begrenzt wird. Dieser verhält sich ähnlich wie eine Schmelzsicherung. Nach einer durch die Zeit-Strom-Kennlinie (I-t) vorgegebenen Zeit, schaltet der Leistungs-MOSFET im VIPower Zero aus. Sofern korrekt aufeinander abgestimmt, wird der Schutzmechanismus immer dann wirksam, wenn der Kabelbaum außerhalb seines sicheren Arbeitsbereichs (Safe Operating Area, SOA) arbeitet. Die Zeit-Strom-Kennlinie des VIPower Zero lässt sich nicht verändern.