Bild 1: Integrierter Gate-Treiber mit externen passiven Bauelementen. International Rectifier
Das automatische Ein- und Ausschalten des Motors, die Start-Stopp-Automatik, trägt wirkungsvoll zur Verringerung der CO2-Emissionen von Privatfahrzeugen bei. Die Motor-Start-Stopp-Automatik bringt für mehrere Bereiche der elektrischen Entwicklung von Kraftfahrzeugen eine Anzahl von Herausforderungen mit sich. Eine davon ist der Schutz von Systemen wie dem Radio, der Klimaanlage, dem GPS-System sowie der Innen- und Außenbeleuchtung vor Schwankungen der Versorgungsspannung während des Motorstarts. Die Batteriespannung kann während des Startvorgangs auf niedrige 6 V abfallen, während die elektrischen Systeme eine stabile Versorgungs- oder Bordnetz-Nennspannung von 13 V benötigen, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Aus diesem Grund braucht man ein zusätzliches Subsystem, das die Hauptbatterie während des Motorstarts abschaltet und die Elektronik über eine Hilfsbatterie oder einen DC/DC-Wandler vorübergehend versorgt. Ein solches Subsystem besteht aus einem Leistungsschalter mit zugehörigen Steuerschaltungen.
Bild 2: Demo-Platine eines Start-Stop-Leistungsschalters, auf welcher der AUIR3240S mit drei parallel geschalteten Leistungs-MOSFETs des Typs AUIRF1324S gemeinsam zum Einsatz kommt.International Rectifier
Im Normalbetrieb des Fahrzeugs muss der in diesem Subsystem enthaltene Leistungsschalter sämtliche elektrischen Lasten im Automobil versorgen. Gleichzeitig sind geringe Leitungsverluste eine unumgängliche Voraussetzung, weil der Schalter zu jedem Zeitpunkt – mit Ausnahme des Startvorgangs – eingeschaltet ist. Leistungs-MOSFETs wie der 24-V-Baustein AUIRF1324S-7L oder der 40-V-Baustein AUIRF3004-7L, die für einen kontinuierlichen, durch das Gehäuse begrenzten Drainstrom von 240 A ausgelegt sind und einen niedrigen Einschaltwiderstand von 1,0 mΩ beziehungsweise 1,25 mΩ aufweisen, können hier Verwendung finden. Die Parallelschaltung mehrerer Bausteine kann zu einer weiteren Senkung des Einschaltwiderstands führen. Da die Batterie betriebsbereit bleiben muss, wenn das Auto geparkt wird, müssen die Leistungsschalter und der Controller zusammen einen niedrigen Ruhestrom aufweisen, um die Stromentnahme aus der Batterie zu minimieren. Ein Ruhestrom von ungefähr 50 µA wird für akzeptabel erachtet.
Ansteuerung des Stopp-Start-Leistungsschalters
Sobald die automatische Startfunktion des Fahrzeugs mit dem Start des Motors beginnt, führt das zu einem Spannungsabfall an der Hauptbatterie. Der Leistungsschalter muss unverzüglich abschalten, damit die Hilfsversorgung die Bordnetzspannung von 13 V aufrechterhalten kann. Dies ist wesentlich, weil der niedrige ohmsche Widerstand des Leistungsschalters einen hohen Stromfluss zur Hauptbatterieseite mit einem Spannungsabfall von lediglich einigen wenigen Millivolt erlauben kann. Die Schaltzeit ist weniger kritisch, weil der Strom in der Body-Diode des Leistungsschalters fließt.
Zum Einschalten und Abschalten des Leistungsschalters ist ein Controller oder Gate-Treiber erforderlich. Ein dafür geeigneter Controller muss eine Gate-Spannung von 12 V bis 15 V zur Verfügung stellen können, wenn er bei der niedrigen Spannung der Hauptbatterie betrieben wird. Außerdem sind Zusatzschaltungen erforderlich – und zwar zur Durchführung der Überwachung von Spannung und Strom, für die Ein-/Aus-Zeitsteuerung, zur Fehlerdiagnose sowie für den Wärmeschutz.
Die Entwicklung eines Treibers mit geringem Ruhestrom, der all diese Anforderungen erfüllt, erweist sich bei Verwendung diskreter Bauelemente als problematisch. Es stehen einige integrierte Gate-Treiber-ICs zur Verfügung, die nicht nur die Entwicklung vereinfachen, sondern die auch zu einer höheren Zuverlässigkeit beitragen können. Viele davon sind allerdings in erster Linie für den Einsatz in Anwendungen wie Handys oder PDAs vorgesehen.
Das Gate-Treiber-IC AUIR3240S von International Rectifier (IR) ist zur Verwendung in der Motor-Start-Stopp-Automatik im Kraftfahrzeug optimiert. Es enthält einen Boost-Wandler, der mit einer Eingangsspannung im Bereich von 4 V bis 36 V betrieben werden kann und eine Gate-Ansteuerspannung für den MOSFET von 12,5 V bereitstellt.
Bild 3: Interne Funktionen des Start-Stop-Gate-Treibers.International Rectifier
Die Baustein-Architektur ist speziell auf intermittierenden Betrieb abgestimmt, was den Stromverbrauch effektiv auf weniger als 50 µA absenkt. Es sind nur ein paar wenige passive Bauelemente erforderlich, um das Design zu vervollständigen: eine Spule und ein Kondensator für den Boost-Wandler sowie Widerstände für die Diagnose- und Messschaltungen des ICs (Bild 1). Zu den wichtigen Funktionen des AUIR3240S (siehe Blockschaltbild in Bild 3) zählen der Haupt-DC/DC-Schalter (K1) sowie die Freilaufdiode (D), außerdem zwei Komparatoren zur Steuerung des Einschaltens und Abschaltens von K1. Der obere Komparator überwacht die Gate-Spannung im Vergleich zu Vcc, um den Schalter K1 einzuschalten. Der untere Komparator überwacht die Spannung über dem Shunt-Widerstand, der an den Rs-Pin angeschlossen ist und den Abschaltvorgang regelt.
Ein monostabiler Taktgeber mit einem typischen Wert von 7,5 µs gewährleistet die Mindest-Abschaltzeit des Boost-Konverters. Er wird aktiviert, wenn der Spulenstrom den vom Shunt-Widerstand festgelegten Spitzenstrom erreicht. In Bild 4 sind die Wellenformen des AUIR3240S abgebildet.
Bild 4: Spannungs- und Strom-Wellenformen des AUIR3240S während des Einschaltens. International Rectifier
Der AUIR3240S arbeitet mit einer variablen Frequenz, wobei die Einschaltzeit von K1 von den Werten der Versorgungsspannung, des Shunt-Widerstands und der Spule abhängt. Die Abschaltzeit wird durch den Ausgangsstrom festgelegt. Wenn der AUIR3240S die Leistungs-MOSFETs einschaltet, das heißt wenn die Ausgangsspannung unter 12,5 V abfällt, wird die Frequenz durch die Abschaltzeit (Toff) des monostabilen Taktgebers festgelegt. In dieser Betriebsart kann der Treiber einen verhältnismäßig großen Strom zur Verfügung stellen (in der Größenordnung von einigen -zig Milliampere), um die MOSFET-Gates rasch zu laden und folglich den Leistungsschalter abzuschalten. Der maximale Ausgangsstrom lässt sich durch Optimierung der Werte von Spule und Shunt-Widerstand erreichen.
Sobald die Gates des Leistungs-MOSFETs über 12,5 V geladen sind, geht der AUIR3240S in einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch über. Danach wird der Treiber nur dann aktiviert, wenn das Gate unter 12,5 V abfällt. Mit dieser spezifischen Architektur kann der Treiber den Leistungsschalter mit einem nur geringen Stromverbrauch eingeschaltet halten. Die Gates werden im Wesentlichen durch den Leckstrom des Treibers entladen.
Überwachung
Weil der Leistungsschalter sämtliche elektrische Lasten im Auto versorgt, handelt es sich um eine sicherheitsrelevante Funktion, die in der Lage sein muss, jede Fehlermöglichkeit zu überwachen. Der AUIR3240S bietet zwei Diagnosemechanismen zur Überwachung des richtigen Ausgangsstrom-Verhaltens sowie einer zu hohen Systemtemperatur. Dadurch, dass der Widerstand Rs (siehe Bild 1) um ein RC-Filter ergänzt wird, kann das System den durchschnittlichen Ausgangsstrom überwachen. Außerdem ist im AUIR3240S eine NTC-Schnittstelle vorgesehen, mit deren Hilfe das System die Chiptemperatur des MOSFETs überwachen kann. Sie verwendet dazu einen Standardwiderstand und einen NTC-Baustein.
Schlussbetrachtung
Eine Start-Stopp-Automatik ist eine kostengünstige Technologie, welche die Emissionen sowie den Kraftstoffverbrauch von Automobilen mit herkömmlichem Verbrennungsmotor verringern kann. Der Markt wird voraussichtlich in den Jahren bis 2020 rasch wachsen, und er wird Innovationen honorieren, welche die Entwicklung vereinfachen und die Implementierungskosten senken.
Derzeit entsteht eine neue Generation integrierter Controller für Automotive Leistungs-MOSFETs, die hinsichtlich Eingangs-/Ausgangsspannung und Systemdiagnose für Start-Stopp-Applikationen optimiert ist. Mit Hilfe derartiger Bausteine können Ingenieure die mit einer herkömmlichen diskreten Lösung verbundene Komplexität, den Entwicklungsaufwand und die Zahl verwendeter Komponenten verringern und so die Zuverlässigkeit verbessern, die Kosten senken und die Time-to-Markt verkürzen.
David Jacquinod
(av)
