Das starke weltweite Bevölkerungswachstum und die wirtschaftliche Entwicklung der Schwellenländer lassen den Hunger nach Energie ständig größer werden. Die International Energy Agency (IEA) prophezeit, das der globale Energiebedarf zwischen heute und 2040 um 37 % zunehmen wird. Als Reaktion darauf verstärken Regierungen auf der ganzen Welt legislative Maßnahmen zur Drosselung des Energieverbrauchs insbesondere auch bei Haushaltsgeräten.

Bild 1: Einsatz von Motortreibern.

Bild 1: Einsatz von Motortreibern.ON Semiconductor

Daher steuern die Hersteller von weißer Ware/Haushaltsgeräten schwierigen Zeiten entgegen. Sie müssen ihre Produkte für Endverbraucher attraktiver machen, und das in einem Marktbereich, der extrem wettbewerbsintensiv ist. Gleichzeitig müssen sie immer schärfere Umweltrichtlinien beispielsweise Energy Star in Nordamerika, oder 92/75/EC in der Europäischen Union einhalten. Alle diese Rahmenbedingungen zwingen sie, kompaktere Geräte mit höherem Wirkungsgrad zu entwickeln, die leiser laufen und eine längere Lebensdauer aufweisen.

Eine stark wachsende Bevölkerung hat in Verbindung mit einer kontinuierlichen wirtschaftlichen Entwicklung in Asien, Afrika und Südamerika zu einer Zunahme des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs beigetragen. Die International Energy Agency (IEA) sagt voraus, dass der globale Energiebedarf zwischen heute und dem Jahr 2040 um 37 % zunehmen wird. Dieser Aspekt ist im Zusammenhang mit schwindenden fossilen Brennstoffreserven, den ökologischen Auswirkungen von Kohlenstoff-Emissionen sowie den nach wie vor nicht sonderlich großen Alternativen an erneuerbaren Energiequellen wichtig.

Die aktuelle Situation

Regierungen auf der ganzen Welt verstärken legislative Maßnahmen zur Drosselung des Energieverbrauchs als Reaktion auf steigende Energiekosten, die politische Instabilität bestimmter Erdöl-produzierender Länder sowie den Umweltschutz. Das US Department of Energy (DoE) stellte im September 2014 Standards zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Kühlschränken und Tiefkühlgeräten auf, was bei neuen Modellen, die nach diesem Datum hergestellt wurden, zu einer Verringerung des Stromverbrauchs um 20 % geführt hat. Man schätzt, dass dadurch im Laufe der nächsten 30 Jahre ungefähr 5,10 × 1018 J kumulativ Energie eingespart werden. Das entspricht der dreifachen Energiemenge, die derzeit alljährlich allein in Wohnungen in den USA verbraucht wird. Jetzt schlagen die Regierungsbehörden die Einführung weiterer strengerer Verbrauchsstandards für Zimmerklimaanlagen und Waschmaschinen vor, was in manchen Fällen Verbesserungen des Wirkungsgrads von 35 % erbringen wird. Japan ist ein Land mit nur begrenzten natürlichen Energiequellen, dessen Kapazität zur Energieerzeugung auf Grund der Fukushima-Katastrophe geringer geworden ist. Daher unternimmt Japan erhebliche Anstrengungen, den Energieverbrauch einzuschränken. Seit seiner Einführung hat das japanische Top-Runner-Programm, das nicht nur weiße Ware abdeckt sondern auch bei Kochgeräten, Warmwasserbereitern, Heimbürogeräten sowie anderen Geräten zu beträchtlichen Verbesserungen des Wirkungsgrads geführt hat.

Bild 2: Motortreiber in Weißer Ware.

Bild 2: Motortreiber in Weißer Ware.ON Semiconductor

Druck vom Endverbraucher

Es gibt eine Reihe von Eigenschaften, die weiße Ware für Endverbraucher verlockend machen. Hersteller müssen sich dessen bewusst sein, um ihre Produkte entsprechend zu entwickeln und von denen ihrer Konkurrenten zu differenzieren. So sind Endverbraucher mittlerweile erfahren beim Kauf von Haushaltsgeräten. Sie wissen, dass bei einem Gerät – auch wenn es einen attraktiven Preis hat – die laufenden Kosten im Laufe seines Lebens wesentlich höher sein können als der Kaufpreis, was rasch alle anfangs erzielten Einsparungen zunichte machen würde. Produkte, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und zu keiner Erhöhung der Stromrechnung führen, rechtfertigen mit Sicherheit einen geringfügig höheren Ladenpreis.

Endverbraucher setzen grundsätzlich einen zuverlässigen Betrieb voraus. Wenn ein Produkt nicht zuverlässig arbeitet, gerät die Reputation der Marke dieses Herstellers in Gefahr und damit sein Geschäft.

Ein weiterer Bereich, auf den Endverbraucher Wert legen, ist eine Maximierung der Innenabmessungen. Bei Kühlschränken mit mehr Stauraum oder bei Waschmaschinen mit einer höheren Kapazität ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie die Kaufentscheidung der Kunden positiv beeinflussen.

Hersteller geraten immer stärker unter Druck, weiße Ware auf den Markt zu bringen, die ein besseres Anwendererlebnis bieten. Zum Beispiel empfinden Endverbraucher das brummende Geräusch eines Kühlschranks, das der Kompressormotor verursacht, schon immer als störend. Deshalb müssen alle Anstrengungen unternommen werden, dieses Geräusch so stark wie möglich zu dämpfen.

Bild 3: Grundlegende Eigenschaften von IMST.

Bild 3: Grundlegende Eigenschaften von IMST.ON Semiconductor

Technische Probleme

Die Entwicklung weißer Ware befindet sich in einem radikalen Umbruch. Gründe hierfür sind die Wünsche und Erwartungen der Endverbraucher sowie der legislative Druck. Es gilt, die sperrigen Geräte von früher durch kompaktere Designs mit besserer Raumausnutzung zu ersetzen. Nachdem der kompakte Aufbau von Haushaltsgeräten ein immer wichtigeres Verkaufsargument darstellt, muss die Größe der einzelnen mechanischen Komponenten dies auch ermöglichen – besonders die der dafür geeigneten Motoren.

Motortypen und ihr Einsatz

Motoren sind ebenso wie Kompressoren und Lüfter in jeder Art von Haushaltsgerät enthalten, die in der modernen Küche oder in Hausarbeitsräumen anzutreffen sind. Abhängig von der Anwendung können unterschiedliche Motortypen zum Einsatz kommen, zum Beispiel AC-Induktionsmotoren, bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren – mit entweder Einphasen- oder Dreiphasen-Topologien. Der zugehörige Motortreiber enthält die erforderlichen Komponenten zum Regeln der Leistung. Der Motorcontroller ergänzt das Ganze durch die Integrationen der Funktionalitäten zur Positionsbestimmung sowie zur Drehzahlregelung. Darüber hinaus kann der Motorcontroller den Wirkungsgrad des Motors während des Betriebs optimieren. Die in weißer Ware eingesetzten Motorentreiber lassen sich in die folgenden Kategorien unterteilen:

• 12-V-Brückentreiber mit einem Transistorausgang

• 12-V-DC-Motortreiber mit Transistorausgang

• 24-V-DC-Motortreiber mit Transistorausgang

• Dreiphasen-DC-Vortreiber-Controller zur Ansteuerung von 240-V-Systemen

• DC-Motortreiber zur Ansteuerung von 600-V-Systemen

Motoren kommen in weißer Ware in den Schlüsselanwendungen Kühlschrank, Klimaanlagen sowie Waschmaschinen und Trockner zum Einsatz. In Kühlschränken treibt ein Lüftermotor den internen Lüfter an, während ein bürstenloser DC-Motor den externen Lüfter antreibt. Schrittmotoren führen automatische Filterreinigungs- und Dämpfungsfunktionen durch. Wenn das Gerät einen automatischen Eisbereiter enthält, sind zwei Bürstenmotoren erforderlich, sodass ein Kühlschrank bis zu fünf Motoren enthalten kann.

Eckdaten

Weil ICs und Subsysteme moderne Gehäuse- und Montagetechniken verwenden, aber auch auf Grund von verbesserten Designpraktiken sind Ingenieure heute in der Lage, eine neue Generation von weißer Ware auf den Markt zu bringen. Diese wird den Forderungen nach erhöhtem Wirkungsgrad, einem kompakten/leichten Aufbau und einem leiseren Betrieb entsprechen, sodass sowohl die Erwartungen der Endverbraucher erfüllt als auch die strengen Umweltrichtlinien eingehalten werden können. Entsprechende integrierte Leistungsmodule (IPMs) machen dies möglich.

In Klimaanlagen treiben DC-Motoren die internen und externen Lüfter an. Ein Schrittmotor sorgt für die automatische Filterreinigung. Darüber hinaus kann ein Schrittmotor eingebaut sein, der die Richtung des Luftstroms am Ausgang der Anlage regelt.

In Waschmaschinen und Trocknern sorgt ein bürstenloser DC-Motor für den Antrieb des Lüfters, um zum Beispiel trockene Luft zu erzeugen oder Wasser hinein oder ab zu pumpen. Ein Schrittmotor regelt die Temperatur der Trockenluft.

Früher arbeiteten Waschmaschine und Kühlschrank nach dem „Alles-oder-Nichts“-Prinzip; sie waren somit entweder voll eingeschaltet oder aber ausgeschaltet. Seit einigen Jahrzehnten überwiegen Waschmaschinen auf dem Markt, die den Betrieb mit mehreren Trommelgeschwindigkeiten erlauben und sich auf verschiedene Beladungen einstellen können, was den Wirkungsgrad erhöht. Ebenso behalten Kühlschrankkompressoren unabhängig von der Innentemperatur des Geräts ihre volle Drehzahl nicht mehr einfach nur bei. Vielmehr passen intelligente Stromversorgungen die Kompressordrehzahlen dem benötigten Temperaturniveau an. Voraussetzung für diese effektivere Implementierung ist die Möglichkeit zur exakten Regelung der Motordrehzahl.

Bild 4: Wechselrichterblock für eine Klimaanlage.

Bild 4: Wechselrichterblock für eine Klimaanlage.ON Semiconductor

Künftig werden Motoren für Haushaltsgeräte nicht nur hohe Leistungskennwerte aufweisen sondern zudem auch geringe Abmessungen haben müssen. Außerdem hat die Migration von Haushaltsgeräten auf kleinere Formfaktoren Auswirkungen auf das Wärmemanagement, weil die im System erzeugte Wärme sich auf einen kleineren Raum verteilt. Eine Erhöhung der Wärmeintensität strapaziert jedoch das Haushaltsgerät und führt zu Zuverlässigkeitsproblemen. Zusätzliche Kühlmethoden wären zwar möglich, doch dadurch würde sich die Leistungsbilanz wieder verschlechtern, sodass dieser Weg somit ausscheidet. Der andere und vorteilhaftere Lösungsansatz besteht darin, den Wirkungsgrad zu verbessern, sodass weniger Abwärme entsteht.

Intelligentere und höher integrierte Motortreiber

Wegen des eingeschränkten Platzangebots und des hohen Wirkungsgrads, den weiße-Ware-Designs heutzutage gemäß den Vorschriften aufweisen müssen, setzen Ingenieure höher integrierte Lösungen zur Motoransteuerung ein, die auf IPMs (Intelligente Power-Module) beruhen. In IPMs sind die verschiedenen benötigten Komponenten in einem hochintegrierten hybriden Modul vergossen, das sich wiederum in einem besonders dichten Gehäuse befindet. Allerdings weisen die bisherigen IPMs gewisse Nachteile auf. Sie sind meist in einer Rahmenstruktur aufgebaut, in der sich die Platzierung von passiven Bauelementen infolge von Layout- und Routing-Einschränkungen als problematisch erweisen kann. Und wenn die Komponenten dann montiert sind, können sie häufig Zuverlässigkeitsprobleme an ihren Lötverbindungen aufweisen.

Bild 5: Endanwendungen von IMP-Modulen.

Bild 5: Endanwendungen von IMP-Modulen.ON Semiconductor

ON Semiconductor hat beim IPM-Design durch die Entwicklung der IMST genannten Technologie (Insulated Metal Substrate Technology, etwa: isolierte Metallsubstrat-Technologie) einen anderen Weg eingeschlagen. Bei IMST befindet sich die Elektronikschaltung auf einem Aluminiumblech; sämtliche Bauelemente von den Passiven (primär Widerstände und Kondensatoren) über die Diskreten (Dioden, Transistoren) bis zu komplexeren ICs (Gate-Treiber, DSPs und andere) sind dabei auf demselben Substrat implementiert. IMST bietet zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit im Betrieb. Dieser Lösungsansatz erlaubt eine geringere Zahl von Bauelementen sowie einen reduzierten Platzbedarf auf der Leiterplatte, sodass Module mit kleinerem Formfaktor zum Einsatz kommen können. Die Komponenten lassen sich wesentlich leichter montieren, und der Verdrahtungsaufwand ist minimal.

Eine zwischen Aluminiumblech und Kupferfolie aufgebrachte Schicht aus Isolierharz sorgt für eine verteilte Kapazität, wodurch IMST die beim Schalten verursachten elektromagnetischen Störungen (EMI) besonders effektiv dämpft. Das kommt einem zuverlässigeren, ruhigeren Motorlauf zugute.

ON Semiconductor liefert die IMST-IPMs im SIP-Gehäuse aus, um die Montageflexibilität zu verbessern, wobei die Montage der Module entweder horizontal oder vertikal mit Umformung der Anschlüsse erfolgt. Weil IMST keinerlei Keramikschichten zur Isolierung oder mechanischen Stabilisierung enthält, bietet die Technologie eine deutlich bessere Erdung. Vergießen verstärkt die Kohäsion der Bauelemente, sodass die Lötverbindungen im Betrieb weniger starken Belastungen ausgesetzt sind.