Ein aktueller IHS-Bericht geht davon aus, dass der globale Markt für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) in Haushaltsgeräten im Laufe der nächsten fünf Jahre von rund 430 Millionen Einheiten pro Jahr auf 750 Millionen steigen wird. In Haushaltsgeräten aller Art – Klimaanlagen, Geschirrspüler, Waschmaschinen, Kühlschränke, Pumpen, Ventilatoren – werden AC-Motoren zuneh­mend durch BLDC-Motoren ersetzt. Der Hauptgrund dafür ist, dass BLDC-Motoren einen höheren Wirkungsgrad als AC-Motoren haben – insbesondere, wenn sie nicht mit maximaler Leistung arbeiten – und besser steuerbar sind. Außer­dem sind sie leiser, auch das prädestiniert sie für Haushaltsgeräte. Zudem haben sie über den gesamten Lastbereich eine hohe Energie­effizienz, wie sie von vielen globalen Energieeffizienz­stan­dards gefordert wird.

Softwaregesteuerte BLDC-Motoren sind dank ihrer Programmierbarkeit beson­ders flexibel – verän­der­liche Drehzahlen und/oder Drehmomente lassen sich mit hoher Genauig­keit reali­sieren.  Zuverlässigkeit ist ein weiteres wichtiges Thema. BLDC-Motoren benötigen keine Bürsten und Schleifringe, dadurch entfallen die damit verbun­denen Leistungs­verluste. Außer­dem erhöht sich dadurch ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Angesichts des großen Wirkungs­grad-Potenzials von BLDC-Motoren und deren präziser Steuerbarkeit ist der wichtigste Aspekt bei BLDC-Treibern das Design des Wechsel­richters und des Controllers.

Thermische Herausforderungen beim Wechselrichter

Eck-Daten

BLDC-Motoren erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, vor allem im Bereich der Haushaltsgeräte. Der wichtigste Aspekt bei BLDC-Treibern dabei das Design des Wechsel­richters und des Controllers. Zusätzlich begrenzen thermische Herausforderungen die Leistung des Wechselrichters. Power Integrations stellt im Beitrag die Bridgeswitch-Architektur vor, die 600-V-FREDFETs mit kurzen Schaltzeiten, geringen Schaltverlusten in Kombination mit sehr softem Recovery-Verhalten integriert. Zusätzlich ermöglicht die Bridgeswitch-IC-Familie den Verzicht auf Kühlkörper im Thermomanagement und vereinfacht die Einhaltung internationaler Sicherheitsvorschriften, also die Zulassung nach IEC 60335-1 und IEC 60730-1.

Thermische Herausforderungen begrenzen die Leistung des Wechsel­richters. Es liegt auf der Hand, dass eine erhöhte Betriebs­tempe­ratur die Lebensdauer des Wechselrichters verkürzt und die Zuver­lässigkeit mindert. Erhöhte Temperaturen erschweren auch die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften und können die Ver­wen­dung eines Kühlkörpers und/oder Lüfters erfor­der­lich machen. Dies alles verur­sacht einen höheren Mate­rialaufwand und zusätz­liche Kosten. Außer­dem fallen die Module dadurch größer aus, wodurch ein weiterer wichtiger Vorteil von BLDC-Motoren konterkariert wird, und wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit aus.

Bridgeswitch-Anwendung

Bridgeswitch-Anwendung Power Integrations

Es ist erstaunlich, wie viel Leistungsverluste und Abwärme sich schon durch eine geringe Steigerung des Wechselrichterwirkungsgrades einsparen lässt. Hierzu ein Beispiel: Wenn es gelingt, den Wechsel­richterwirkungsgrad um 1 % von 97 % auf 98% zu erhöhen, sinken bei einer Wechselrichter-Eingangsleistung von 260 W die Leistungsverluste von 7,8 W auf 5,2 W – das bedeutet eine Leistungseinsparung von 2,6 W und eine Reduk­tion der Abwärme um satte 33 %.

Power Integrations liefert seit vielen Jahren Motortreiber-Produkte für Anwen­dungen in Haushaltsgeräten. Hierzu zählen die Produkt­familien Innoswitch-EP und Linkswitch. Dies sind hoch­integrierte Hoch­span­nungs-ICs für Off-line-Energie­wandler, die sich wegen ihrer hohen Energie­effizienz und Robust­heit in einem breiten Anwen­dungsspek­trum einsetzen lassen. Als Power Integrations sich entschied, in den Markt für BLDC-Motortreiber­ einzu­steigen, existierten bereits sehr gute Treiber­lösungen, und es war dem Unter­nehmen klar, dass es einen neuen Ansatz brauchte, um Effizienz und Leistungs­fähig­keit noch weiter zu steigern.

Bridgeswitch-Motortreiber

Die Bridgeswitch-IC-Familie von inte­grierten Halbbrücken-Motortreibern (IHB) ermög­licht Treiber­designs mit einem Wirkungs­grad von 98,5 % – und bietet damit eine Lösung für nahezu jede ther­mische Heraus­for­de­rung. Mit­ent­scheidend für diese hohe Energie­effizienz ist die Inte­gration von 600-V-FREDFETs mit einer Body-Diode, die sich durch kurze Schaltzeit im Kombi­na­tion mit ultra-softem Recovery-Verhal­ten aus­zeich­net. Ein FREDFET ist ein Feldeffekt­transistor mit einer Fast-Reverse- (auch „Fast-Recovery“ genannt) Epitaxial-Diode. Durch dieses spezielle FET-Design wird ein sehr schnelles Abschalten (Recovery) der Body-Diode erreicht. Bild 1 verdeutlicht die geringe Reverse-Recovery-Ladung der Bridgeswitch-FREDFETs im Normalbetrieb. Aus dem Dia­gramm ist außer­dem der Reverse-Recovery-Softness-Factor (SSVR) ersicht­lich, der in diesem Fall größer als Eins ist, was auf sehr geringe Störemissionen hindeutet.

Auf die Body-Diode kommt es an

Warum sind die Eigen­schaften der Body-Diode für BLDC-Motoren wichtig? Ein BLDC-Motortreiber enthält eine antiparallel zu jedem Schalterbauteil (IGBT oder MOSFET) liegende Diode, die einen Entmagnetisierungspfad für die induktive Wicklungsenergie in jeder Phase bereitstellt. Die in der Wicklung gespei­cherte Energie muss beim Abschalten abgebaut werden. Eine im leitenden Zustand befindliche PN-Diode kann bei einer Polaritätsände­rung der anliegenden Spannung (das heißt beim Abschalten des Schalters) nicht abrupt in den Sperrzustand übergehen. Statt­dessen dauert es eine gewisse Zeit (reverse recovery time), bis die Diode den Stromfluss unterbricht. Für die Opti­mie­rung des Wirkungs­grades ist es wichtig, das Verhal­ten der Diode während dieser Zeitspanne unter Kontrolle zu haben.

Die Body-Diode in einem typischen Schalter-MOSFET ist ein parasitäres, durch die Struktur des MOSFETs bedingtes „Bau­teil“. Die so gebildete Diode hat im leitenden Zustand rela­tiv schlechte Eigen­schaften, weil sie dafür nicht opti­miert wurde. IGBT-Strukturen enthal­ten keine solche intrinsische Body-Diode. Um diese Probleme zu lösen, werden bei Schalter-ICs oft antiparallele Dioden mit in das gleiche Gehäuse inte­griert, was erhebliche Mehrkosten verur­sacht. Unter der Voraussetzung, dass diese Dioden eine geringere Durchlassspannung aufweisen als die intrinsische Body-Diode, stellen sie einen wirk­samen Nebenschluss zu der Body-Diode dar, redu­zie­ren deren Wirkung und bieten einen effizienteren Entmagnetisierungs-Strompfad. Die Eigen­schaften der antiparallelen Diode ist wichtig für das Schaltverhalten und die Reduk­tion der Störemissionen.

Schaltverhalten und Störemissonen

Die negative Flanke der Stromkurve wird durch die Schaltinduktivität bestimmt und ist unabhängig vom schaltenden Bauteil. Die Reverse-Recovery-Peri­ode beginnt, sobald die Span­nung über der Diode in den Sperr­span­nungs­bereich übergeht und die Ladungsträger in der PN-Struktur ihre Richtung umkehren. Die Ladungsträger trans­por­tieren weiterhin Ladung (in die entgegengesetzte Richtung), bis sie aus der P-N-Verarmungszone verdrängt werden; so entsteht der Dioden-Rückwärtsstrom.

Bild 1: Typisches Dioden-Reverse-Recovery-Verhalten (BRD1X65). Beim FREDFET verringern sich Amplitude und Zeitdauer des Reverse-Recovery-Stroms, sodass die Fläche unter der Kurve (Gesamtladung) kleiner ausfällt.

Bild 1: Typisches Dioden-Reverse-Recovery-Verhalten (BRD1X65). Beim FREDFET verringern sich Amplitude und Zeitdauer des Reverse-Recovery-Stroms, sodass die Fläche unter der Kurve (Gesamtladung) kleiner ausfällt. Power Integrations

Die Diodenstruktur im FREDFET bewirkt eine schnelle Verdrängung dieser Ladungsträger und begrenzt dadurch die während der Erholungsphase transportierte Reverse-Ladungsmenge.  Dadurch verringert sich sowohl die Ampli­tude als auch die Zeitdauer des Reverse-Recovery-Stroms (kleinere Fläche unter der Kuve = Gesamt­ladung in Bild 1). Zur Minimierung der Störemissionen und Opti­mie­rung der „Softness“ der Diode ist auch die Ladungsträger-Verdrängungs­geschwin­dig­keit (Steilheit der Recovery-Kurve) zu kontrollieren. Die Softness (SSVR) wird heute üblicher­weise durch den steilsten Abschnitt der Recovery-Kurve beschrie­ben, ins Verhält­nis gesetzt zur negativen Stromsteilheit am Beginn der Reverse-Recovery-Peri­ode. Dadurch reduzieren sich die Schaltverluste erheblich. Die Opti­mie­rung der Soft-Recovery-Charak­teristiken und der Stromsteilheit trägt außer­dem zur Reduzierung der Störemissionen des Systems bei.

Der Bridgeswitch im Detail

Bild 2: ICs der Bridgeswitch-Familie von Power Integrations bestehen aus zwei Treibern, dem Controller, dem Pegelumsetzer und zwei FREDFETs.

Bild 2: ICs der Bridgeswitch-Familie von Power Integrations bestehen aus zwei Treibern, dem Controller, dem Pegelumsetzer und zwei FREDFETs. Power Integrations

Das Block­schalt­bild in Bild 2 zeigt die Schal­tungselemente eines Bridgeswitch-ICs: zwei Treiber, Controller, Pegelumsetzer und zwei FREDFETs. Bridgeswitch-ICs benöti­gen kein sekundäres Niederspannungsnetzteil und erlauben dadurch die Ver­wen­dung einer kleineren und einfacheren Hilfs­strom­ver­sor­gung. Dies würde beispielsweise den Einsatz eines Single-Output-Buck-Converters wie Linkswitch-TN2 von Power Integrations anstelle des herkömmlichen Multi-Output-Flyback-Konzepts für die Motorantriebsstufe ermöglichen. Insgesamt hat der Inte­gra­tions­grad einen signifi­kanten Einfluss auf Mate­rial­bedarf, Leiter­platten­fläche und Zuverlässigkeit.

Bild 3: Ein Vorteil der Bridgeswitch-Architektur ist ihre Flexibilität. Ein und dasselbe Layout lässt sich als Baustein für ein- oder mehrphasige BLDC-Motoren verwenden.

Bild 3: Ein Vorteil der Bridgeswitch-Architektur ist ihre Flexibilität. Ein und dasselbe Layout lässt sich als Baustein für ein- oder mehrphasige BLDC-Motoren verwenden. Power Integrations

Ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Architektur ist, dass sie nicht nur weniger Wärme erzeugt als herkömmliche Designs, sondern auch Hot Spots eliminiert, indem sie die Abwärme verteilt. Die Wärme lässt sich allein über die Leiterplatte abführen und es ist kein Kühlkörper notwendig. Auch das spart wieder Bau­teile, Gewicht, Platz und Kosten ein. Der Vergleich der thermischen Eigen­schaften des Bridgeswitch mit einer IGBT- oder anderen FET-basierten Lösungen zeigt ähnliche Vorteile. Ein weiterer Vorteil der Bridgeswitch-Architektur ist ihre Flexibilität. Ein und dasselbe Layout – dargestellt in Bild 3 – kann als Baustein für ein- oder mehrphasige BLDC-Motoren zum Einsatz kommen. Es stehen Referenzdesigns zur Verfügung, die alle gängigen Regelalgorithmen für BLDC-Motoren unter­stützen.

Sicherheitsvorschriften einhalten

Die Einhaltung der internationalen Sicherheitsvorschriften kann eine Herausforderung sein. Um die Zulassung nach IEC 60335-1 und IEC 60730-1 zu erhalten, benötigen traditionelle BLDC-Motor­lösungen einen Softwareschutz der Klasse B, der nicht nur teuer und zeitaufwendig ist, sondern auch eine Neuzertifizierung bei Softwareänderungen sowie zusätzliche Software-Integritätsprüfungen für OTA-Updates (Over-the-Air) erfordert.  Die IHB-Systemarchitektur reduziert diese Kosten und spart Zeit, da Bridgeswitch über einen einzigartigen, fest verdrahteten, in jedem Zyklus wirk­samen Low-Side- (LS) und High-Side- (HS) Überstromschutz verfügt. Bridgeswitch überwacht die Netzspannung, bietet sowohl OV- als auch UV-Schutz und misst auch die Schalter- und Wicklung/Platinen­tempe­ra­turen für zusätzliche Systemalarme und eine fest verdrahtete, sichere Endabschaltung. Dies erleich­tert die Softwareanforderungen (Klasse A statt Klasse B) und vereinfacht und verkürzt den Qualifi­zierungs­prozess. Außerdem ist bei Ände­rungen an der Systemsoftware keine Neuzertifizierung erforderlich. Neben den fest verdrahteten Schutz­funktionen bieten Bridgeswitch-Lösungen noch einen weiteren Vorteil: die Über­tra­gung von Fehlerinformationen über eine einzigartige, bidirektionale Eindraht-Kommuni­kations­schnitt­stelle an den System-Mikrocontroller.

Dadurch wird ein höheres Schutzniveau erreicht, weil die Hardware-imple­men­tierten Bridgeswitch-Sicherheitsfunktionen sehr schnell reagieren (etwa 150 ns). Bridgeswitch-ICs überwachen den Schalt­strom und sorgen für zusätz­liche Redundanz in jeder Schaltphase. Und dank der präzisen Steuerung der Schalter-Slew-Rates (<3 V/ns beim Abschalten und <2,5 V/ns beim Einschalten) durch die inte­grierte HS/LS/Treiber-Kombination fallen die Störemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Designs deutlich geringer aus.

Neben den verschiedenen technischen, regulatorischen und kommerziellen Vorteilen spart die höhere Gesamteffizienz Energie, ermöglicht eine bessere Marktpositionierung (höherwertige „Green“-Labels) und versetzt Ent­wick­ler in die Lage, bei vorge­gebenem Strom­ver­brauch zusätzliche Systemfunktionen (zum Beispiel Displays und Schnitt­stellen) zu imple­men­tie­ren.