Motorsteuerungen stehen unter hohem Entwicklungsdruck: Sie sollen effizienter, kompakter und präziser werden. Ob in der Robotik, bei Drohnen, in industriellen Anlagen oder im Bereich der Mikromobilität – gefragt sind Lösungen, die mehr Leistung aus weniger Bauraum ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen dabei Wide-Bandgap-Halbleiter, allen voran Galliumnitrid (GaN).
Wide-Bandgap-Technologie auf dem Vormarsch
Im Gegensatz zu klassischen Silizium-MOSFETs zeichnen sich GaN-Transistoren durch eine Reihe entscheidender Vorteile aus (Abbildung 1).
Ein zentraler Vorteil ist die deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit, die Schaltfrequenzen bis in den Megahertz-Bereich ermöglicht. Dadurch können kleinere passive Bauteile wie Induktivitäten und Kondensatoren eingesetzt werden, was zu kompakteren und leichteren Designs führt. Gleichzeitig resultieren aus der schnellen Schaltfähigkeit geringere Schaltverluste, wodurch sich die Effizienz von DC/DC-Wandlern, Wechselrichtern und Motorsteuerungen erhöht.
Die höhere Leistungsdichte von GaN-Transistoren beruht auf ihrer Fähigkeit, höhere Spannungen und Ströme zu verarbeiten. Dies ist insbesondere für hochfrequente Anwendungen und präzise Steuerungen von Vorteil. Zudem führen die geringeren Energieverluste zu einer reduzierten Wärmeentwicklung. Dadurch ist der Einsatz kleinerer oder sogar passiver Kühllösungen möglich und die thermischen Anforderungen werden verringert.
Ein weiterer technischer Vorteil besteht in der geringeren Gate-Ladung (QG) von GaN-Transistoren, die eine schnellere und energieeffizientere Ansteuerung erlaubt. Dies ist insbesondere für hochfrequente Anwendungen und präzise Steuerungen vorteilhaft. Zusätzlich zeichnet sich GaN durch eine hohe Robustheit bei hohen elektrischen Spannungen aus, da das Material stärkere elektrische Felder toleriert als Silizium. Diese Eigenschaft macht GaN-Transistoren besonders geeignet für Hochspannungsanwendungen, wie sie in der Elektromobilität und industriellen Antriebstechnik vorkommen.
Infineon bietet eine Vielzahl von GaN-Transistoren. Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl im Vergleich.
Tabelle 1: Vergleich verschiedener Infineon GaN-Transistoren[AG1]
| Typ | Spannung | R DS(on) (typ) | ID (@25°C) max | QG | Gehäuse | Typische Einsatzfelder |
| IGC033S101 | 100V | 2,4 mΩ | 75 A | 11 nC | PQFN 3x5 | Referenzbauteil für 48-V-Motorsteuerungen, Drohnen, Servos |
| IGC037S12S1 | 120 V | 2,7 mΩ | 71 A | 10 nC | PQFN 3×5 | Für Industrieantriebe und Anwendungen mit höherer Spannung |
| IGC090S20S1 | 200 V | 6,7 mΩ | 46 A | 8,5 NC | PQFN 3×5 | Höhere Spannungen, z. B. E-Mobilität oder Servoantriebe |
| IGC025S08S1 | 80 V | 1,8 mΩ | 86 A | 12 nC | PQFN 3×5 | Kompakt für Robotik- und Leichtfahrzeuganwendungen |
| IGC019S06S1 | 60 V | 1,3 mΩ | 99 A | 13 nC | PQFN 3×5 | Besonders niedriger Einschaltwiderstand, ideal für 48-V-Systeme |
Motorsteuerung neu gedacht
Die besonderen Eigenschaften von Galliumnitrid-Transistoren eröffnen neue Möglichkeiten in der Motorsteuerung, speziell bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), Servoantrieben, in der Robotik und in anderen elektrischen Antriebssystemen.
Allerdings erfordern GaN-Transistoren teilweise anspruchsvollere Gate-Ansteuerschaltungen. Zusätzliche Designherausforderungen ergeben sich durch die unterschiedlichen GaN-Typen, wie Depletion- und Enhancement-Mode. Diese lassen sich jedoch durch die Integration spezialisierter Gate-Treiber und Managementfunktionen meistern, sodass das volle Potenzial von GaN im System genutzt werden kann.
Ein praktisches Beispiel ist ein 48-Volt-BLDC-Antrieb mit 308 Watt Leistung und bis zu 4.000 Umdrehungen pro Minute. Durch die Erhöhung der feldorientierten Regelung (FOC) von 20 kHz auf 100 kHz in Kombination mit GaN-Transistoren und dem Mikrocontroller PSOCTM Control C3 steigt der Wirkungsgrad von 89 auf über 96 Prozent (Abbildung 2). Gleichzeitig sinkt die Motortemperatur von 68 °C auf 55 °C, während die GaN-Bauelemente stabil bleiben.
Diese Kombination bietet mehrere praktische Vorteile: Ein höherer Wirkungsgrad durch eine höhere Schaltfrequenz, eine geringere Erwärmung des Motors, eine kompaktere Bauweise durch einen reduzierten Kühlbedarf und kleinere Komponenten sowie ein leiserer und vibrationsärmerer Motorbetrieb durch reduzierte Stromwelligkeit und Drehmomentfluktuationen. Darüber hinaus erhöhen die präzise Ansteuerung und die integrierten Schutzmechanismen die Sicherheit und Systemstabilität, beispielsweise durch die Vermeidung von Überlastungen.
Diese Vorteile machen die Technologie besonders interessant für Anwendungen wie Robotikarme, Drohnenantriebe, Servosysteme in der Industrie und leichte Elektrofahrzeuge. Der Mikrocontroller bietet mit seinen High-Resolution-PWM-Funktionen, schnellen Analog-Digital-Wandlern (ADCs) sowie integrierten CORDIC- und DSP-Einheiten eine leistungsfähige Steuerungsplattform. Diese vereinfacht komplexe Regelalgorithmen und ermöglicht präzise feldorientierte Regelungen selbst bei hohen Drehzahlen. Die ModusToolboxTM Motor Suite-Entwicklungsumgebung unterstützt ergänzend mit vorgefertigten Softwarebibliotheken und -Werkzeugen, welche die Entwicklungszeiten verkürzen. Zudem bietet sie PSA-Level-2-Sicherheitsfunktionen für ein sicheres und zuverlässiges Systemdesign.
Evaluationsboard als Entwicklungsbasis
Das KIT PSC3M5 CC2 von Infineon ist ein kompaktes Evaluationsboard, das Entwicklern eine vielseitige Basis zur Evaluierung von Motorsteuerungen bietet (Abbildung 3). Ausgestattet ist das Board ist mit einem PSOCTM Control C3M5 Mikrocontroller, der Funktionen wie High-Resolution-PWM, schnelle ADCs sowie integrierte CORDIC- und DSP-Einheiten bereitstellt. Über standardisierte Schnittstellen können verschiedene Leistungsstufen, Motortypen und Sensorsysteme angebunden werden, wodurch sich das Board flexibel einsetzen lässt.
Das KIT ist Teil eines modularen Plattformkonzepts und kann sowohl als eigenständige Steuereinheit als auch in Kombination mit weiteren Evaluationsboards, etwa mit GaN-Leistungsstufen, genutzt werden. Diese Modularität ermöglicht die schnelle Entwicklung und Prüfung verschiedener Motorsteuerungs-Topologien, wie z. B. BLDC- und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sowie komplexere Mehrphasenanwendungen.
Die ModusToolboxTM Motor Suite stellt zudem praxisnahe Werkzeuge zur Konfiguration, Laufzeit- und statischen Parametrierung, Signalanalyse sowie eine Oszilloskop-Funktion mit hoher Abtastrate bereit. Ergänzt wird das Ökosystem durch eine umfassende Verfügbarkeit von Referenzdesigns und vollständigen Evaluierungskits, die eine besonders schnelle Umsetzung und Systemintegration ermöglichen.
Entwicklerinnen und Entwickler profitieren von beschleunigtem Prototyping, verkürzten Entwicklungszyklen und einem unkomplizierten Einstieg in hochfrequente, GaN-basierte Motorsteuerungen.
Fazit
Die Kombination aus Wide-Bandgap-Leistungselektronik und moderner Steuerungstechnik ist die Grundlage für kompakte, effiziente und leistungsstarke Motorsteuerungen. Sie vereint Effizienz, Intelligenz und Sicherheit und ist somit ideal für Anwendungen in den Bereichen Robotik, Industrie und Elektromobilität.
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