48-V-Systeme: Überlegungen zum Design eines Hilfswechselrichters

48-V-Systeme sind immer stärker auf dem Vormarsch. Doch was ist beim Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors am Bordnetz zu beachten?

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Fujitsu Technology Solutions GmbH

Bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC Motor – BLDC) sind hocheffiziente Motoren und ideal für den Betrieb elektrischer Verbraucher am Bordnetz geeignet. Für ihre Leistungsstufe ist ein Wechselrichter erforderlich, der aus sechs Transistoren besteht (Bild 1). Die Versorgungsspannung, die hier von der 48-V-Batterie kommt, wird per Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer zwischen 10 und 50 kHz liegenden Frequenz an die Motorwicklungen gegeben, um für die Drehung zu sorgen.

Die Kommutierung wird dabei vom Haupt-Mikrocontroller gesteuert, der die Rotorposition aus den Signalen von Halleffekt-Sensoren oder der Gegen-EMK des Motors ermittelt und die passenden PWM-Signale so erzeugt, dass sich am Motor die gewünschte Kombination aus Drehzahl und Drehmoment einstellt. In der Regel steuern ein Dreiphasen-Vortreiber oder drei Halbbrücken-Vortreiber die Leistungstransistoren an. Die aus Vortreibern und Transistoren bestehende Leistungsstufe ist in hohem Maße ausschlaggebend für den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems.

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Beim Design der Leistungsstufe gilt es eine Reihe wichtiger Aspekte zu beachten, zu denen die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises sowie die Wahl der Leistungstransistoren und Gatetreiber gehören.

Zwischenkreisspannung

Die Zwischenkreisspannung entspricht natürlich der Bordnetzspannung von 48 V, die allerdings nur der Nennwert ist. In der Praxis variiert diese Spannung entsprechend dem Ladezustand der Akkus sowie unter dem Einfluss der Temperatur und der verschiedenen Lade- und Entladebedingungen. Die Spezifikation LV148 lässt hier einen Bereich zwischen 24 V und 52 V zu. Man benötigt also Vortreiber und Leistungstransistoren, die die Spannung an den Schaltknoten verkraften und dabei Reserven für mögliche Spannungsspitzen (bedingt durch das Schalten induktiver Verbraucher, Lastabwürfe und Gegen-EMK) besitzen. Bei 48 V Bordnetzspannung sind Transistoren und Treiber, die an den Schaltknoten Spannungen von mindestens 100 V verkraften, eine gute Wahl.

Auswahl der Transistoren

In einer milden Hybrid-Applikation ist die möglichst effiziente Nutzung der Batterieenergie der Schlüssel zum Erreichen der Vorgaben in Sachen Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß. Am Beginn der Entwicklung eines effizienten Wechselrichters steht die Auswahl der Transistoren. Hierzu sind die zunächst die Stromangaben des Motors zu betrachten, und zwar sowohl im statischen Zustand (bei gleichbleibender Drehzahl) also auch in der Hochlaufphase (in der die Ströme deutlich höher sein können als im statischen Zustand). Der Einschaltwiderstand Rds(on) des Transistors ist hier wichtig, und außerdem sollte sein Nennstrom deutlich über dem maximalen Strombedarf des Motors liegen.

Abgesehen von der Leistung, die der MOSFET verkraftet, sind seine Gateladung (QG), seine parasitären Kapazitäten (CISS, CRSS, COSS) und die Eigenschaften seiner Body-Diode entscheidend, denn alle diese Größen wirken sich auf den Wirkungsgrad des Wechselrichters aus. MOSFETs mit hoher Stromtragfähigkeit und geringem RDS(on) minimieren zwar die Leitungsverluste (I²R), erzeugen aber wegen der höheren Gateladung und der höheren parasitären Kapazitäten meist höhere Schaltverluste. Den Zusammenhang zwischen Leitungsverlust, Schaltverlust und RDS(on) bei MOSFETs veranschaulicht Bild 2. Wegen der mit unter 50 kHz relativ niedrig angesetzten Schaltfrequenz dieser Applikation überwiegen die Leitungsverluste, sodass es auf einen MOSFET mit niedrigem RDS(on) ankommt.

Auswahl des Gatetreibers

Geschaltete Anwendungen erfordern die Anpassung des Gatetreibers an den Transistor, denn es muss sichergestellt sein, dass der Treiber die benötigten Spitzenströme liefern kann und dass er die Ein- und Abschaltzeiten der Applikation erreicht. Die optimalen Ein- und Abschaltzeiten hängen von der angestrebten Schaltfrequenz, der hinnehmbaren EMI-Erzeugung und der Länge der Leiterbahnen zwischen Treiber und Gate ab.

Der erforderliche maximale Treiberstrom zum Ansteuern der Transistoren ist proportional zur gewählten Ein- und Abschaltzeit. Bild 1 gibt den Zusammenhang zwischen der Gateladung, der gewünschten Ein- und Abschaltzeit und dem benötigten Treiberstrom wieder.

Hier kann die Verwendung eines Gatetreibers mit der Eignung für einen Spitzenstrom von 1,5 bis 2 A empfohlen werden. Wenn weniger steile Stromflanken benötigt werden, um beispielsweise die EMI-Erzeugung zu verringern, hilft das Hinzufügen eines Gatewiderstands, der jedoch eine gewisse zusätzliche Verzögerungszeit mit sich bringt und die Schaltverluste erhöht. Für die hier beschriebene Applikation sind der für Automotive-Anwendungen qualifizierte Halbbrücken-Treiber UCC27201A-Q1 (120 V/3 A) und der 100 V N-Kanal NexFET Leistungs-MOSFET CSD19536KTT eine gute Kombination.

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* Peter Fundaro ist Systems Manager bei Texas Instruments

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