Treiber-ICs: Die Grundlage für die Zukunft der Automatisierungstechnik

Die intelligente Phasensteuerung (IPS) synchronisiert die Spannung und den Strom, die in den Motor eingespeist werden und minimiert so die Phasendifferenz unabhängig von der Motordrehzahl. Toshiba Electronics Europe

Die Automatic Gain Control (AGC) überwacht bei Schrittmotoren den Strom wie auch das Drehmoment in Echtzeit und treibt gerade so viel Strom wie benötigt wird, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten. Toshiba Electronics Europe

Die Automatisierung von Fertigungsprozessen, unterstützt durch allgemeine als auch spezialisierte Maschinen, bereichert uns mit einer Vielzahl innovativer Produkte und Vorteile. Wie Henry Ford im Jahr 1913 herausfand, lassen sich die Fertigungszeiten und Kosten drastisch verringern, sofern die physische Arbeitskraft durch eine automatisierte Montagelinie ergänzt wird. Durch die Weitergabe finanzieller Einsparungen wurde das Model-T für einen größeren Käuferkreis erschwinglich. Ohne die heutigen kosteneffizienten Industriemaschinen wäre die Machbarkeit von Technologien, Ideen und Produkten, die unsere Lebensqualität verbessern, erheblich beeinträchtigt. Darüber hinaus verlassen wir uns darauf, dass Maschinen mit ihrer Präzision und Langlebigkeit Aufgaben übernehmen, die einfach außerhalb der physischen Möglichkeiten menschlicher Bediener liegen oder die Leben gefährden könnten.

Die Robotik ist nur ein Element der Automatisierungstechnik, das weiter wächst und sich weiterentwickelt. Der Bereich verzeichnete zwischen 2010 und 2017 ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 10 %. Vom Heben schwerer Lasten in der Fahrzeugfertigung bis hin zur Feinbearbeitung in der Halbleiterfertigung – trotz ihrer Allgegenwart werden Roboter bei Werksführungen von den Besuchern mit Ehrfurcht betrachtet. Roboter, die für die Zusammenarbeit mit ihren „menschlichen Kollegen“ entwickelt wurden, sogenannte Cobots, erregen ebenfalls großes Interesse, da die Sicherheitsbarrieren, die normalerweise Roboter und Menschen voneinander trennen, beseitigt werden. Noch in den Anfängen ihrer Bedeutung für die Automatisierungstechnik befinden sich fahrerlose Transportsysteme (FTS oder AGV – Autonomous Guided Vehicle). Logistikzentren und Fertigungsbetriebe profitieren von dieser Technologie, Materialien ohne menschliches Eingreifen in Fabriken und Lagereinrichtungen aufzunehmen und zu bewegen. Das Verbraucherinteresse an maßgeschneiderter wie auch an standardisierter Massenware unterstützend, können FTS Werkstücke in beliebiger Reihenfolge von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz zur dortigen Herstellung einzigartiger Produkte bewegen, und so den Ansatz der einheitlichen Fertigung am Förderband aufheben und trotzdem Kosten einsparen.

Während die Anwender von den Anbietern im Bereich Automatisierungstechnik ständig leistungsfähigere Systeme erwarten, sind letztere auf die Halbleiterindustrie angewiesen, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Branchenexperten auf globaler und nationaler Ebene arbeiten zusammen, um neue Kommunikationsstandards oder Stromversorgungslösungen zu definieren, und Halbleiterhersteller bringen ihr technisches Know-how ein, um die investitionsintensive Entwicklung, Qualifizierung und Fertigung der daraus resultierenden Bauelemente sicherzustellen. Darüber hinaus sind spezifische und allgemeine Trends auf Seiten der Kunden als auch der Marktforscher zu berücksichtigen. Die anhaltende Fokussierung auf Energieeffizienz in allen Bereichen erfordert von den Halbleiterherstellern die Suche nach möglichen Lösungen und Verbesserungen in ihren Fertigungsprozessen, Hardware-Komponenten, auf Anwendungsebene sowie bei Ansätzen, die nur in Systemsoftware umgesetzt werden können.

Effiziente Antriebe und Leistungswandlung für industrielle Systeme

Da Maschinen in der Fertigung häufig rund um die Uhr laufen, die Anzahl der Roboter und Cobots zunimmt und batteriebetriebene FTS eingeführt werden, sind effiziente Antriebe ein Muss. Toshibas neueste Treiber-ICs für Schrittmotoren bieten durch ihre integrierte automatische Verstärkungsregelung (AGC; Automatic Gain Control) erhebliche Vorteile bei gleicher Funktion. Damit Schrittmotoren ihre Position halten können, wurden sie bisher mit einem konstanten Strom versorgt, um sicherzustellen, dass für alle Betriebssituationen genügend Drehmoment zur Verfügung steht. Die AGC wiederum überwacht den Strom wie auch das Drehmoment in Echtzeit und treibt gerade so viel Strom wie benötigt wird, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten. Dies reduziert nicht nur den Antriebsstrom um bis zu 40 % sondern auch die Wärmeabgabe vor Ort.

Bürstenlose Gleichstrommotoren haben sich aufgrund ihres geräuscharmen Betriebs, des geringeren Wartungsaufwands und der geringeren elektromagnetischen Störung als Alternative zu Bürstenmotoren etabliert. Die Herausforderung dabei ist, dass die bisher mechanisch gehandhabte Kommutierung nun elektronisch gesteuert wird. Die Entwickler bei Toshiba gehen dieses Problem mit ihrer intelligenten Phasensteuerung (IPS) an. IPS synchronisiert die Spannung und den Strom, die in den Motor eingespeist werden und minimiert so die Phasendifferenz unabhängig von der Motordrehzahl. Dies erfordert nur eine einzige Initialisierung und führt zu einer Stromeinsparung von bis zu 20 % im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen.

Im Bereich der Leistungswandlung wird weiter daran gearbeitet, den Wirkungsgrad um einstellige Prozentpunkte zu erhöhen. Dies leuchtet ein, wenn man bedenkt, dass sich Stromversorgungen bzw. Netzteile häufig im Dauerbetrieb befinden und in jeder industriellen Anwendung mehrfach zum Einsatz kommen. Ein Großteil der heutigen Bemühungen konzentriert sich auf die Reduzierung der winzigen Verluste, die durch die in Stromversorgungen integrierten Schaltbauteile verursacht werden. Ein solcher Verlust ist als Umkehr-Erholungsladung (Qrr; Reverse Recovery Charge) bekannt, der in der Sperrschicht von Freilaufdioden auftritt. Ein anderer äußert sich in der internen parasitären Ausgangskapazität (Coss) von Schalttransistoren. Eine Technik, die als synchrones Sperren in Sperrrichtung (SRB; Synchronous Reverse Blocking) bezeichnet wird, nutzt eine Siliziumkarbid-(SiC-)Diode in Verbindung mit einem zweiten Transistor in Serie, um Qrr nahezu zu eliminieren.

Aufgrund der Bemühungen von Toshibas Experten wurde ein Advanced-SRB-Ansatz (A-SRB) entwickelt. Dabei wird die erwähnte parasitäre Kapazität zusätzlich vorgeladen, was die Auswirkung von Coss um Größenordnungen verringert und zu einem bis zu 4 % höheren Wirkungsgrad als bei Superjunction-basierten Lösungen führt. Treiber-ICs wie der T1HZ1F lassen sich mit Toshibas High-Voltage 650V-DTMOS-IV-Schaltern mit schnellen Dioden, den Low-Voltage UMOS-VIII-60V-MOSFETs für die Leistungsfaktorkorrektur, DC/DC-Wandler-Anwendungen und sogar mit Antriebssteuerungen kombinieren. A-SRB bietet somit eine halbleiterbasierte Lösung, die hinsichtlich des Wirkungsgrads nahe an SiC heranreicht, jedoch kostengünstiger ist und den Kunden den Zugang zu den Bauelementen erleichtert.

Isolierte industrielle Schnittstellen mit hohem Datendurchsatz

Ethernet ist das Rückgrat der Datennetze für PCs und Server und bietet im Zuge seiner Weiterentwicklung immer mehr Bandbreite. Seine variable Latenzzeit ist jedoch nicht für die industrielle Echtzeitsteuerung und Automatisierungstechnik geeignet. Internationale Arbeitsgruppen haben daher im Rahmen der IEEE 802.1Q neue TSN-Standards (Time Sensitive Network) definiert, die den Einsatz von Ethernet in Systemen ermöglichen, die feste End-to-End-Latenzen und hohe Zuverlässigkeit erfordern. Die Unterstützung von TSN bedingt physikalische Änderungen in den unteren Schichten des OSI-Modells. Diese sind in bestehenden MCUs und MPUs nicht immer berücksichtigt, und Entwickler müssen sich auf das Aufrüsten von Plattformen beschränken, für die die Prozessoren bereits definiert wurden. Der TC9562BXG von Toshiba ist eine neue TSN-Lösung, die sowohl in Host- als auch in Node-Anwendungen Unterstützung bietet.

Der TC9562BXG bietet neben einer TSN-fähigen Ethernet-Schnittstelle auch eine PCI-Express-Schnittstelle (PCIe) und einen 32-Bit-ARM Cortex-M3-Prozessor. In Host-Anwendungen, in denen ein leistungsfähiger Anwendungsprozessor verwendet werden kann, ermöglicht die PCIe-Schnittstelle die einfache Integration der TSN-Funktion, wo bisher keine verfügbar war. Der integrierte Cortex-Prozessor kann auch als Hardware-Beschleuniger fungieren und Datenvorverarbeitungsaufgaben übernehmen, die den Host-Anwendungsprozessor entlasten. In Node-TSN-Anwendungen ist der Cortex-Prozessor leistungsfähig genug, um eine eigenständige Anwendung zu implementieren, während die internen Speicherressourcen und der Umfang der Peripherie sicherstellen, dass sich typische industrielle Anwendungen umsetzen lassen.

Zuverlässige Kopplung ist ein essentieller Bestandteil des industriellen Internet der Dinge (IIoT). Optische Isolierung stellt sicher, dass sich Systeme ohne die Gefahr einer Beschädigung der Steuerungen und Sensoren vernetzen und ansteuern lassen. In der Regel müssen sie der UL 1577 und EN 60747-5-5 entsprechen. Sie ersetzen häufig Relais als auch Transformatoren und sorgen für einen geräuscharmen Betrieb, eine höhere Zuverlässigkeit, und die Möglichkeit, Platz zu sparen. Die neueste Generation von Fotokopplern (wie der TLP2310) arbeitet bei bis zu 125°C, unterstützt Datenübertragungsraten von 5 Mbit/s, verbraucht nur 0,3 mA Strom und ist in ein nur 2,1mm hohes SO6-Gehäuse integriert. Die neueste Fortentwicklung der integrierten LED-Lichtquelle sorgt für eine Degradation von nur 10 % über 100.000 Betriebsstunden, was einer Verbesserung um 40 % gegenüber Bausteinen mit herkömmlichen LEDs entspricht.

Fazit

Neuerungen für industrielle Systeme sind untrennbar mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie verbunden, die Anbieter wie Toshiba bereitstellen. Während in der Vergangenheit bereits große Fortschritte erzielt werden konnten, konzentrieren wir nun unsere zeitintensive Forschung auch auf die Lösung von Herausforderungen im Zusammenhang mit selbst einstelligen Verbesserungen des Wirkungsgrades, die Verkürzung von Latenzzeiten in bestehenden bzw. älteren Netzwerken, und eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit.

(wi)