Die richtige Wahl treffen Lastregelung mit neuem Treiber und MOSFETs

Intelligente Treiber, Halbleiterkomponenten sparen Gewicht und Platz in den Systemen ein.
Intelligente Treiber und Halbleiterkomponenten sparen Gewicht und Platz in den Systemen ein.

Lastschalter auf Halbleiterbasis und intelligente Treiber helfen, in Systemen, die bisher über elektromechanische Relais angesteuert wurden, Gewicht und Platz einzusparen sowie die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Wichtig: Die richtige Auswahl des MOSFET und die Konfiguration der Treiberdiagnostik.

Fahrzeuge sind heute mit umfangreichem elektrischem Zubehör und elektronischen Sicherheitshilfen ausgestattet, um das Fahren sicherer, bequemer und einfacher zu machen. Herkömmliche hydraulische Systeme wie die Servolenkung und Automatikgetriebe werden zunehmend durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt, um das Gesamtgewicht und den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu verringern.Während der Trend hin zu einer umfangreicheren Elektrifizierung geht, kommt das herkömmliche mechanische Relais allerdings immer noch für das Schalten von Lasten zum Einsatz. Relais helfen dabei, Fahrzeuginsassen von Leistungsschaltkreisen zu isolieren, und minimieren den Aufwand für teure, sperrige Hochstrom-Verkabelung. Steuerungslogik ist relativ einfach, weil Formfaktoren und Anschlussbelegungen in den ISO-Standards festgelegt sind. Diese vereinfachen das Systemdesign, die Versorgungskette und das Bestandsmanagement.

Nachfolge für herkömmliche Relais

Herkömmliche Relais bringen jedoch etliche Nachteile mit sich. Die standardisierten Relaisgrößen und Anschlussbelegungen umfassen nun auch Miniaturformate wie Mini 280 und Micro 280. Die Mini-Größe weist die Abmessungen 1“ × 1“ × 1“, die Micro-Größe 1“ × 1“ × 0,5“ auf. Entwickler stehen unter dem Druck, zusätzliche Schaltkreise in kleinere Steuergeräte zu integrieren, was kompaktere Lösungen für das Schalten von Lasten erfordert. Die Zuverlässigkeit von Relais ist zudem relativ schwach: Obwohl die mechanische Lebensdauer mehr als eine Million Betätigungen betragen kann, erreicht die elektrische Lebensdauer je nach Last- und Betriebsbedingungen nur etwa 100.000 Betätigungen.

Ein herkömmliches Relais kann beim Schalten auch erhebliche elektromagnetische Störungen verursachen. Eine Spannungsspitze tritt auf, wenn das Magnetfeld der Relaisspule beim Abschalten zusammenbricht. Ein integrierter Widerstand oder eine Klemmdiode kann Schäden an benachbarten Schaltkreisen verhindern. Zusätzliche Unterdrückungskomponenten oder eine Abschirmung können erforderlich sein, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu verhindern.

Zudem ist eine verbesserte Diagnostik für die gesamte elektrische Automotive-Infrastruktur erforderlich, um fortschrittliche Informations- und Sicherheitssysteme zu ermöglichen sowie Service- und Reparaturdienstleistungen zu unterstützen. Ohne zusätzliche Schaltkreise unterstützen herkömmliche Relais keine Selbstdiagnose und keinen Lastschutz

 

Entwickler nutzen Automotive-qualifizierte Leistungs-MOSFETs, um die Anforderungen hinsichtlich kleinerer Baugröße, geringerem Gewicht, größerer Zuverlässigkeit, höherer elektromagnetischer Verträglichkeit und mehr „Intelligenz“ und Diagnosefunktionen zu erfüllen. MOSFETs mit geeigneten Nennströmen und Nennspannungen bieten einen Durchlasswiderstand von wenigen Milliohm, wodurch sich das Wärmemanagement vereinfacht.

Es wird empfohlen, das MOSFET-Gate mit einem Treiber (Pre-Driver) anzusteuern, weil MOSFETs einen relativ schwachen Selbstschutz aufweisen und bei Überspannungs-/Überstromspitzen dauerhaft beschädigt werden können. Der 6-Kanal-Treiber NCV7518 (Bild 1) von ON Semiconductor bietet diesen Schutz und enthält zudem Fehlererkennungs- und Diagnose-Schaltkreise.

Entwickler können ihre Anwendung damit frei gestalten – durch die Wahl externer MOSFETs.

Bild 2 zeigt eine Beispiel-Anwendung des NCV7518, in der sechs MOSFETs verschiedene Lasten steuern, zum Beispiel eine Lampe, Heizung und einen einfachen Motor. Der Treiber wird im 5 mm × 5 mm × 0,9 mm großen QFN32-Gehäuse ausgeliefert. Ein passender MOSFET ist der NID9N05CL (9 A, 52 V), der Schalten auf Logikebene, eine integrierte Klemmdiode und ESD-Schutz bietet. Eine kleine Anzahl an Widerständen und Kondensatoren ist erforderlich, was zu einer wesentlich geringeren Baugröße und Höhe als bei vergleichbaren Systemen mit Relais führt. Hinzu kommt, dass sich das Schaltgeräusch von Relais erübrigt. Mit einem entsprechenden Kühlkörper lässt sich die Sperrschichttemperatur des MOSFET regeln, um einen zuverlässigen Betrieb über die vorgesehene Lebensdauer zu gewährleisten.

Die Steuerung des MOSFET und das Sammeln von Lastfehler-Informationen erfolgen über die GATx- und DRNx-Anschlüsse des Treibers. Diese Informationen werden über den SPI-Port und FLTB-Ausgang (Fault Flag) an den Mikro¬controller weitergeleitet. Der Treiber erkennt einen Kurzschluss gegen Batterie und Masse für jede Last. Er überwacht auch die Batterieversorgung hinsichtlich anormaler Zustände, um die Last vor einem Betrieb mit eingeschränkten Nennwerten zu schützen. Zu den weiteren Funktionen zählen Auto-Retry und Schnellladung, die über SPI aktiviert werden und externe Lastanforderungen anpassen. Das sind nur einige Beispiele der Diagnose- und Schutzfunktionen dieses Treibers, wie sie in herkömmlichen Relais-Anwendungen nicht zur Verfügung stehen.

Um alle Vorteile dieser Kombination aus Treiber und MOSFET zu nutzen, müssen Entwickler einige Aspekte beachten. Dazu zählen beispielsweise die Konfiguration der Fehlerschutz- und Diagnoseparameter, die Wahl des geeigneten MOSFET gemäß den tatsächlichen Lastbedingungen oder auch die Berechnung der Verlustwärme des MOSFET, um ein entsprechendes Wärmemanagement gewährleisten zu können.