Ein „Predriver“-IC bietet Flexibilität und Sicherheit bei der Auslegung
Wie lassen sich Motoren optimal ansteuern?
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Wie lassen sich Motoren optimal ansteuern?
Stand der Technik ist weiterhin die Möglichkeit, die Steilheit der Schaltflanken einzustellen, um elektromagnetische Emissionen zu reduzieren. Verwendet man einen Serienwiderstand in der Gate-Ansteuerung, wie oft im Datenblatt von Gatetreiber-ICs vorgeschlagen, so wird dies mit vielen MOSFETs der neueren Generation nicht funktionieren: Das Verhältnis QGD/QGS hat sich technologiebedingt verschoben, und das Einschalten des komplementären Schalters kann zu einem Spannungsanstieg am Drain führen – die Gate-Drain-Ladung sorgt dann für das Durchschalten des Transistors, falls das Gate nicht niederohmig abgeschaltet ist. Schaltungstricks mit einer zusätzlichen Diode und einem weiteren Widerstand erhöhen den Schaltungsaufwand auf drei diskrete Komponenten je Gate oder insgesamt 18 Bauelemente – das kostet Fläche, Geld und Zuverlässigkeit. Im TMC603 wird ein sauberes, niederohmige Festhalten des Gates bereits im Predriver durch einen entsprechenden Schaltungsaufwand realisiert.
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Der MOSFET als Shunt
Die Kenntnis der Phasenströme bestimmt die Qualität der Motoransteuerung. Die synchrone Erfassung der Phasenströme ist dabei essentiell. Die Integration dieser Messung inklusive Sample & Hold und vorgeschalteten Filtern in den Predriver ist auch hier wieder kostensparend: Die Verwendung von kostengünstigen Mikrocontrollern mit Standard-A/D-Umsetzern ist möglich, eine weitere Signalaufbereitung nicht erforderlich. Weiterhin kann bei kluger Auslegung der Predriver auf teure Shunt-Widerstände verzichtet werden: Der MOSFET selbst kann als Sensor herangezogen werden, das spart auch die im Shunt „verheizte“ Leistung und steigert den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Die Herausforderung der Implementierung liegt dabei darin, dass der Spannungsabfall über dem eingeschalteten Transistor nur einige 10 mV beträgt, jedoch bei ausgeschaltetem Transistor sehr hoch ist – die Analogeingänge müssen entsprechend gestaltet sein.
Die Strommessung verstärkt die an den unteren MOSFETs abfallende Spannung bidirektional und liefert ein um eine Referenzspannung zentriertes Signal. Der optimale Zeitpunkt der Abtastung wird automatisch bestimmt (Bild 2). Zwei Messbereiche erhöhen die Genauigkeit bei niedrigem Strom. Nach einem Initial-Abgleich kann der Strom mit einem 8-bit-A/D-Umsetzer auf wenige Prozent genau gemessen werden. So kann beispielsweise eine präzise Drehmomentregelung mit einem einfachen Mikrocontroller realisiert werden. Mit einer solchen Flussspannungsmessung lässt sich eine kontinuierliche Messung der Phasenströme emulieren, die ansonsten nur aufwendig durch differentielle Messung in drei Serien-Shunts möglich ist. Besonders wichtig ist es dabei, den Strom bidirektional erfassen zu können, um auch das Rückspeisen von Energie aus der Spule erkennen zu können. Der Strom wird dazu bidirektional erfasst und mit einem Offset von 1,66 V ausgegeben.
Bekanntlich ist der Einschaltwiderstand von MOSFETs stark temperaturabhängig und steigt bei Anstieg der Temperatur um 100 K um ca. 50 %. Die Endstufentemperatur sollte jedoch in jedem Fall überwacht werden, um eine Zerstörung durch Übertemperatur zu verhindern. Dieser beispielsweise über einen NTC aufgenommene Messwert kann dann auch zur Temperaturkompensation der Messung genutzt werden, um absolute und temperaturunabhängige Strommesswerte auch ohne Shunt-Widerstände verfügbar zu machen.
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