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Hochintegrierte Motorantriebs-ICs

Mit integrierter Systemfehlerdiagnose

20. Oktober 2022, 15:30 Uhr | Von Cristian Ionescu-Catrina, Senior Product Marketing Manager bei Power Integrations

Bild 1: BridgeSwitch verbindet hohe Effizienz mit umfassender Fehlerüberwachung und -meldung (blauer Text) für erhöhtestem- und Wechselrichterzuverlässigkeit.

Power Integrations bringt mit der BridgeSwitch-Produktlinie Motorantriebs-ICs auf den Markt, die hohe Effizienz, Designflexibilität, verbesserte Sicherheit, Konformität mit IEC 60335-1 und IEC 60730-1 sowie Fehlerdiagnose in sich vereinen und entscheidend dazu beitragen, Feldrückläufer zu vermeiden.

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Entwickler stehen zunehmend vor der Aufgabe, die Effizienz und Zuverlässigkeit von Motorantrieben in Verbrauchsgeräten ständig zu verbessern. Von der Europäischen Union (EU) bis nach China werden für eine wachsende Zahl von Verbrauchsgeräten wie Geschirrspüler, Kühlschränke und Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) höhere Wirkungsgrade gefordert. Zudem müssen die Konstruktionen die Sicherheitsanforderungen nach IEC 60335-1 und IEC 60730-1 erfüllen.

Gleichzeitig verlangen sowohl Verbraucher als auch Hersteller ein höheres Maß an Zuverlässigkeit – weniger Wartung vor Ort und weniger Rückläufer. Laut einer kürzlich durchgeführten Branchenstudie führen Fehldiagnosen dazu, dass 30 Prozent der Rückläufer bei Kompressoren als fehlerfrei eingestuft werden, was zu zusätzlichen Kosten und Ineffizienzen in der gesamten Lieferkette sowie zu unzufriedenen Verbrauchern führt. So kann die Nutzung des IoT die Fernüberwachung von Gebrauchsgüter ermöglichen; allerdings muss das Design dafür sinnvolle und kostengünstige Fehlerdiagnose- und Schutzfunktionen unterstützen.

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen können Entwickler auf die BridgeSwitch-Familie von Power Integrations zurückgreifen. Dabei handelt es sich um selbstversorgte Hochspannungs-Halbbrücken-Motortreiber-ICs mit integriertem Schutz, Systemüberwachungs- und Berichtsfunktionen, die einen höheren Wirkungsgrad, eine größere Designflexibilität sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit von Wechselrichter und System bieten (Bild 1).

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Hoher Wirkungsgrad vereinfacht das Wärmemanagement

So vereinfachen die integrierten Halbbrücken von BridgeSwitch die Entwicklung und Produktion von umrichtergesteuerten, ein- oder dreiphasigen Antrieben für Permanentmagnet- (PM) oder bürstenlose (BLDC) Hochspanungs-Gleichstrommotoren. BridgeSwitch-ICs enthalten ein proprietäres momentanes Phasenstrom-Ausgangssignal, das die Entwicklung von sensorlosen Steuerungen erleichtert. Diese ICs enthalten zwei 600-V-N-Kanal-Leistungs-FREDFETs mit High-Side- und Low-Side-Treibern in einem oberflächenmontierten Small-Outline-Gehäuse (13,6 mm × 9,4 mm und 1,35 mm hoch), das erweiterte Kriechstrecken bietet und die Kühlung der beiden Leistungs-FREDFETs über die Leiterplatte ermöglicht (Bild 2).

Die schnellen Dioden in den FREDFETs sind für hart geschaltete Wechselrichterantriebe optimiert. Da die High- und Low-seitigen Steuerungen und Treiber selbstversorgend sind, ist keine externe Hilfsstromversorgung erforderlich. Ein verteilter thermischer Fußabdruck, verbunden mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99,2 Prozent, macht einen externen Kühlkörper bei Nenn-Dauer-RMS-Strom überflüssig und reduziert so die Systemkosten, die Größe und das Gewicht. BridgeSwitch-ICs können bis zu 400 W Ausgangsleistung liefern und eignen sich damit besonders für den Einsatz in Wechselrichtern von Geräten wie Geschirrspülern und Kühlschränken sowie für Kondensatorgebläse in hocheffizienten Klimaanlagen.

Hardware-basierter Fehlerschutz spart Kosten und Zeit bei der Zertifizierung
In den meisten Wechselrichterdesigns wird der Mikrocontroller (MCU) zur Überwachung und Reaktion auf Fehlerbedingungen sowie zur Steuerung des Motors verwendet. Mit Standardsoftwarepaketen lässt sich die Motorsteuerung einfach und relativ schnell realisieren. Fehlerdiagnose und -schutz sind anspruchsvoller und können von Anwendung zu Anwendung stark variieren, da sie auf einer Vielzahl verschiedener Sensoren zur Überwachung von Phasenströmen, Systemübertemperaturen, Vibrationen und anderen Systemparametern basieren. Die Programmierung der MCU zur Auswertung der Sensoreingänge und zur Implementierung des Schutzes in der für die Zertifizierung nach internationalen Normen erforderlichen Weise ist eine komplexe Aufgabe.

Da die Zertifizierung der Überwachungs- und Steuerungssoftware ein zeit- und kostenaufwendiger Prozess ist, verzögert er die Markteinführung oft. Andererseits erfüllt der hardwarebasierte Motorfehlerschutz in den BridgeSwitch-ICs die Anforderungen für anormalen Motorbetrieb gemäß IEC 60335-1 und IEC 60730-1, ohne auf eine Software zur Steuerung angewiesen zu sein; dadurch sinken die Kosten und die Markteinführung wird beschleunigt. Durch die sich daraus ergebende Möglichkeit, eine Software der Klasse A gemäß IEC 60730-1 zu verwenden, lassen sich zwei Monate Zertifizierungszeit einsparen, wobei die Verwendung von BridgeSwitch-ICs zudem den Sicherheitsgenehmigungsprozess für Produktsoftware-Updates vereinfacht.