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Die anderen Motoren in Elektrofahrzeug-Systemen – Teil 2

| Autor/ Redakteur: Chris Clearman* / Benjamin Kirchbeck

Nicht nur der reine Elektromotor in einem E-Auto ist von Bedeutung: Es geht auch um die Elektrifizierung (d. h. den Ersatz von hydraulisch oder per Keilriemen angetriebener Systeme durch E-Motoren) in elektrischen oder nichtelektrischen Antriebssystemen. Teil 2

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Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind.
Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind.
(Bild: Texas Instruments)

Im vorigen Teil haben wir gerade mit der Diskussion über Hilfsantriebe in Elektrofahrzeugen begonnen. In der Mehrzahl dieser Antriebe kommen bürstenlose Dreiphasen-Gleichstrommotoren für niedrige Spannungen und geringe bis mittlere Ströme zum Einsatz, die – das richtige Know-how vorausgesetzt – sensorlos, das heißt ohne Winkelpositionsgeber für den Rotor betrieben werden. Bestromt werden diese Dreiphasenmotoren durch einen Dreiphasen-Wechselrichter, der eine Gleichspannung über drei parallele Zweige zur Masse leitet. Jede Motorphase ist so mit dem Mittelpunkt eines Zweigs verbunden, dass ein Strom zwischen Vdc und Masse durch die einzelnen Phasenwicklungen fließen kann.

MOSFETs dienen im Wechselrichter zum Bestromen der einzelnen Phasen. Wie Bild 1 unten zeigt, sind dazu insgesamt sechs MOSFETs in einer Totempfahl-Schaltung angeordnet. Dies ergibt drei Halbbrücken, die die einzelnen Wicklungen an die Gleichspannung und die Masse legen.

Integrierter Dreiphasen-Gatetreiber DRV8305 mit externen FETs.
Integrierter Dreiphasen-Gatetreiber DRV8305 mit externen FETs.
(Bild: Texas Instruments)

Im Gegensatz zu Niedervolt-MOSFETs können FETs für hohe Spannungen und Stromstärken nicht direkt vom Mikrocontroller angesteuert werden. Wegen der hohen Schwellenspannung und der großen parasitären Kapazität des FET von typisch über 100 pF wird stattdessen ein spezielles, meist als Gatetreiber bezeichnetes Treiber-IC benötigt, mit dem das FET-Gate angesteuert wird.

Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind. Features dienen dem Schutz, der Konfigurierbarkeit, der Reduzierung des Materialaufwands und der Leiterplattenfläche sowie der Leistungsfähigkeit der Motorregelung. Der DRV8305-Q1 ist in allen diesen Eigenschaften der Beste seiner Klasse.

Da die MOSFETs die entscheidenden Bauelemente zum Bestromen der drei Phasen sind, hat ihr Schutz höchste Priorität. Der DRV8305-Q1 schützt das Gesamtsystem auf mehreren Ebenen, indem er integrierte Überwachungsfunktionen für die VDS- und VGS-Werte der externen FETs, eine Funktion zum Messen der internen Chiptemperatur und drei integrierte Shunt-Verstärker zur Überwachung des Stroms in den FETs mitbringt.

Hinzu kommen ein MCU-Watchdog, eine Über- und Unterspannungs-Überwachung für die Stromversorgung und ein Shoot-Through-Schutz mit intelligenter Gate-Ansteuerung. Mit diesem Smart Gate Drive-Konzept unterscheidet sich der DRV8305-Q1 von anderen Gatetreibern. Auf drei Ebenen verhindert er Cross-Conduction- oder Shoot-Through-Phänomene der MOSFETs.

Hierzu ermöglicht er dem Anwender das Festlegen einer minimalen Totzeit (zwischen den Einschaltzeiten von High- und Low-Seite) und implementiert eine wirkungsvolle Pull-down-Ansteuerung des Gate, um ein Einschalten durch steile Spannungsflanken zu verhindern.

Abgesehen von den Schutzfunktionen enthält der DRV8305-Q1 eine Vielzahl leistungsfähiger Features, die den Verzicht auf viele Bauelemente und Materialien ermöglicht, die man sonst auf einer Stückliste findet. Zunächst ist hier die Übertragung von Konfigurations- und Diagnoseinformationen über eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) zu erwähnen. Jeder der zuvor erwähnten Ausfallmechanismen wird über den SPI-Port gemeldet, und auch zum Programmieren und Konfigurieren vieler Features kann dieser Port verwendet werden.

Ein wichtiges Feature ist die Programmierbarkeit des Gate-Treiberstroms, sodass an den MOSFET-Gates keine Widerstände mehr benötigt werden. Der Strom lässt sich auf Werte zwischen 10 mA und 1,25 A programmieren, sodass der Anwender hier eine Einstellung wählen kann, die eine optimale Gate-Ansteuerung mit bestmöglichen EMI-Eigenschaften verbindet. Zu den weiteren wichtigen Features, die ebenfalls programmierbar sind, gehören die Verstärkung, der Bias und die Austastzeit der Strommessverstärker.

Hervorragende Eigenschaften bietet der DRV8305-Q1 schließlich auch in der Verbesserung der Motor-Performance, indem er Hilfestellung für den jeweiligen Motorregelungs-Algorithmus von der Trapez-Methode bis zur Sinus-Ansteuerung (Vektorregelung oder FOC – Field Oriented Control) bietet. Ermöglicht wird dies durch die ein-, drei- oder sechskanaligen PWM-Optionen und die leistungsfähigen Shunt-Verstärker.

Um die Vektorregelung zu unterstützen, muss jeder Shunt-Verstärker den Strom in der ihm zugeordneten Phasenwicklung schnell und präzise messen. Der DRV8305-Q1 erlaubt die Kalibrierung des Strommessverstärkers über den SPI-Port, um Ungenauigkeiten infolge der Offsetspannung zu minimieren.

* * Chris Clearman, C2000 Product Marketing, arbeitet seit über 15 Jahren für Texas Instruments.

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