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Zur Notwendigkeit von BLDC-Motoren

Erstellt von Von Ian Milne, MOSFET-Fachmann, Diodes Inc. |

In der Automobilbranche und anderen Industriebereichen werden zunehmend bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) eingesetzt, um ein Maximum an Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen. In diesem Artikel werden die wichtigen MOSFET-Parameter untersucht, die während des Designprozesses beachtet werden sollten.

Angesichts der Tatsache, dass 70 % des industriellen Stromverbrauchs auf Elektromotoren entfallen, und angesichts des steigenden Automatisierungsgrades, wächst der Bedarf an einem wirtschaftlichen Motor. Mit der Abwendung von den kostengünstigen bürstenbehafteten Gleichstrommotoren hin zu effizienteren bürstenlosen Gleichstrommotoren wird dieser Trend noch verstärkt. Entsprechend ihrer Bezeichnung kommen BLDC-Motoren ohne Bürsten zur Stromzuführung an die Spulen und damit auch ohne mechanischen Verschleiß aus. Dadurch sind diese Motoren zuverlässiger und erzeugen weniger Elektrorauschen, da es nicht zur Bogenbildung kommt. BLDC-Motoren weisen eine breitere Dynamik und ein höheres Drehmoment auf; gleichzeitig sind sie kleiner, leichter und verfügen über ein besseres Leistungsgewicht. Da zur Prozessautomatisierung immer mehr Elektromotoren eingesetzt werden, spielen diese Faktoren eine große Rolle bei der Senkung der Gesamtbetriebskosten.

Wechsel zu BLDC-Motoren

Der Übergang zu BLDC-Motoren erfordert komplexere Antriebslösungen als für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Diodes Inc. ist sich dieser Herausforderungen bewusst und hat, wie im BLDC-Diagramm in Abb. 1 dargestellt, Produkte wie Stromüberwachung, Gate-Treiber, MOSFETs, IGBTs und Hall-Sensoren entwickelt, die für BLDC-Motoren optimiert sind. Der Regelalgorithmus für den BLDC-Motor wird über einen Mikrocontroller (MCU) gesteuert, sodass durch eine relativ einfache Integration in ein breiteres System ein zusätzlicher Vorteil besteht.

In einem BLDC-Motor ist der Rotor ein Dauermagnet, während der Stator ein rotierendes elektromagnetisches Feld aufbaut, das den Rotor zum Drehen bringt. Daher sind die Rotorposition und Abstimmung des Stromflusses in den Statorwicklungen entscheidend für die Steuerung. Der Wechsel zu BLDC-Motoren stellt wohl im Vergleich mit einem bürstenbehafteten Motor eine größere Herausforderung für die Steuerung dar, da hier der elektromechanische Schaltkontakt fehlt. Zur Regelung der Stromzufuhr durch die MCU wird, wie in Abb. 1 dargestellt, die Stromzufuhr mittels Hall-Sensoren überwacht und entsprechend durch Schaltung des Stromflusses in der korrekten Abfolge eine Spannung an die Statorwicklungen des BLDC-Motors angelegt. Wenn die Positionserkennung unkritisch ist, können die Hall-Sensoren durch eine sensorlose feldorientierte Regelung ersetzt und so Materialkosten gespart werden.

Verbesserter Antrieb

Das Schaltelement im BLDC-Motor ist ein Leistungstransistor, üblicherweise ein MOSFET (oder IGBT), der über die Schaltung des Antriebsstroms in den Statorwicklungen ein elektromagnetisches Feld erzeugt oder zusammenbrechen lässt und dadurch eine Drehung um den aus einem Dauermagneten bestehenden Rotor auslöst. Um jeweils das korrekte Feld in den Spulen generieren zu können, muss die Position des Rotors in den Statorwicklungen unbedingt erkannt werden. In BLDCs, die mit Sensoren arbeiten, wird das Magnetfeld erkannt, während in sensorlosen Versionen der Regelkreis die Statorposition durch Messung der Gegen-EMK bestimmt.

In beiden Fällen erfolgt die Versorgung der Wicklungen durch MOSFETs (bzw. IGBTs), die in einer Halbbrücken-Topologie angeordnet sind. Die Auswahl des Schaltelements ist ein wichtiger Faktor für Gesamtwirkungsgrad und Leistung eines BLDC-Motors. Die Angaben in den Datenblättern sind für den Einsatz unter bestimmten Bedingungen gedacht, die den Betriebsbedingungen der tatsächlichen Anwendung nicht zwangsläufig entsprechen müssen. Daher muss vor Auswahl des am besten geeigneten Schaltelements, ob MOSFET (oder IGBT) unbedingt vollständige Klarheit über die Anwendung bestehen.

In ähnlicher Weise wirken sich die Betriebsparameter des MOSFETs (bzw. IGBTs) direkt und deutlich auf die Gesamtlösung aus. Durch eine genaue Berücksichtigung dieser Parameter ist gewährleistet, dass die ausgewählten MOSFETs (bzw. IGBTs) die Anforderungen optimal erfüllen. Im vorliegenden Artikel wird die Auswahl von MOSFETs für BLDC-Motoren beleuchtet.

MOSFET-Schlüsselparameter für BLDC-Motoren

Generell sind vor allem drei Hauptbereiche zu berücksichtigen: Zuverlässigkeit, Effizienz und konstruktionsbezogene Parameter. Zuverlässigkeit bezieht sich auf die extremen Grenzwerte des Geräts und die Gewährleistung, dass diese im Normalbetrieb keinesfalls ausgereizt werden. Speziell gilt dies für die Auswahl eines Geräts mit einer Durchbruchspannung, die einen ausreichenden Schutz vor Störsignalen bietet, welche durch andere Konstruktionsmöglichkeiten eindringen können. Für einen BLDC-Motor, der mit einer Spannung von 12 V arbeitet, ist beispielsweise eine Durchbruchspannung von 40 V ausreichend. Gleichermaßen sind 24- oder 48-V-Anlagen durch einen MOSFET mit einer Durchbruchspannung von 60 bzw. 100 V ausreichend geschützt. Darüber hinaus sind auch die Werte für den Drain-Strom von Bedeutung, vor allem unter Impulsbedingungen. Bei einem BLDC-Motor kann ein Anlauf- oder Blockierstrom die Vollast-Stromstärke um das Dreifache überschreiten, sodass der Einsatz eines Geräts mit entsprechender Drain-Pulsstromfähigkeit empfohlen wird.

Bei Schaltkreisen leistungsstarker Motorantriebe - normalerweise über 50 W - stellt der Einschaltwiderstand RDS(ON) einen wichtigen Parameter hinsichtlich Zuverlässigkeit und Effizienz dar, ein geringerer RDS(ON) begünstigt einen höheren Wirkungsgrad (je nach Schaltfrequenz), verringert die Wärmeableitung und erhöht dadurch die Zuverlässigkeit. Welcher RDS(ON) der "richtige" ist, hängt auch von der Betriebsspannung ab, beispielsweise zieht ein Motor mit 400 W (0,5 PS), der bei 12 V läuft, über 30 A. In diesem Fall ist ein Leistungs-MOSFET mit RDS(ON) <2 mΩ (wie der DMTH41M8SPS mit 40 V) die richtige Wahl. Wird der gleiche Motor von einer 24-V-Batterie gespeist, beträgt die Stromaufnahme ca. 16 A, sodass ein Leistungs-MOSFET mit einem RDS(ON) von < 8 mΩ (wie der DMTH6004SPS mit 60 V) für diese Anwendung am besten geeignet ist. Die Berechnung erfolgte für eine Verlustleistung von < 1,5 V in jeder Halbbrücke, auf zwei MOSFETs aufgeteilt und unterhalb der maximalen Sperrschichttemperatur des MOSFETs, die typischerweise 150 bzw. 175 °C beträgt. Möglicherweise sind weitere Maßnahmen zur Wärmeregulierung wie Kühlkörper oder Zwangslüftung notwendig. RDS(ON) verhält sich kritisch im erreichbaren Leistungsbereich, ein mit 12 V gespeister Leistungs-MOSFET mit RDS(ON) = 1 mΩ (wie der DMTH4001SPS) kann einen Motor mit > 500 W antreiben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass sich der Widerstand RDS(ON) deutlich auf die Gesamtkosten der Anlage auswirkt, insbesondere, weil ein 3-Phasen-BLDC-Motor mindestens sechs Leistungs-MOSFETs erfordert. Bei einer Optimierung sollten daher sowohl die Effizienz als auch die Kosten beachtet werden.

Schaltleistung

In Bezug auf MOSFETs ist der Wirkungsgrad generell ein Indikator für die Funktion der Wärmeableitung eines Geräts, vor allem an der Sperrschicht. Eine gute Wärmeauslegung ist immer erforderlich, aber bei der Auswahl eines MOSFETs sind auch verschiedene andere Parameter zu berücksichtigen. Dies betrifft neben dem Widerstand RDS(ON) die Ladungsmenge (QG). Beide Parameter korrelieren; ein größerer MOSFET mit gleichem Zellenabstand hat zwar einen geringeren RDS(ON), jedoch ist aufgrund der steigenden Kapazität einer größeren MOSFET-Struktur gleichzeitig QG größer. Diese größere Ladungsmenge kann sich signifikant auf Schaltanwendungen wie BLDC-Antriebe auswirken.

Vermeidung von Shoot-Through

Der Antrieb eines BLDC-Motors mit drei Phasen (Spulen) erfolgt normalerweise über ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, das von der MCU generiert wird, um an jede der Phasen Spannung anzulegen. In Abb. 2 ist ein typischer Halbbrücken-Schaltkreis zu einer Spule (1-Phase) eines BLDC-Motors dargestellt. Gleichzeitiges Einschalten beider MOSFETs führt zu einem Shoot-Through von der Stromversorgung Vcc zur Erdrückleitung mit katastrophalen Folgen für die MOSFETs und zum Ausfall des Geräts. Um dies zu verhindern, wird in die PWM-Signale eine Verzugszeit integriert, sodass stets nur einer der MOSFETs als Leiter fungiert. Die erforderliche Verzugszeit wird durch die Schaltzeit des MOSFETs und auch durch QG des Geräts beeinflusst. Während der Verzugszeit liefert die Body-Diode des MOSFETs einen Kommutierungspfad, auch dies ist durch die hohen Leistungsverluste der I-V-Eigenschaften der Body-Diode nicht ideal. Daher kommt ein gutes Design mit einem Minimum an Verzugszeit aus und vermeidet gleichzeitig die Möglichkeiten für einen Shoot-Through.

Jeder der MOSFETs weist einen Miller-Effekt zwischen Drain und Gate auf, siehe Crss (Cgd) in Abb. 2. Dieser Parameter kann einen Shoot-Through verursachen. Der Miller-Effekt, kann zusammen mit dem Gate-Widerstand (Rg), dem inhärenten Spannungspegel Vgs(th) des MOSFETs und dem dV/dt des Schaltknotens zu einer Ladungskopplung am Gate des MOSFET führen, sodass der MOSFET falsch eingeschaltet und ein Shoot-Through-Ereignis ausgelöst wird.

Angemessene Gatespannung für den MOSFET

Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Pegel der am MOSFET-Gate anliegenden Gate-Source-Spannung (VGS) und wie diese sich bei Temperaturkoeffizient Null (ZTC) verhält. Um das einwandfreie Einschalten eines MOSFETs zu gewährleisten, muss eine ausreichende VGS angelegt werden. Diese beträgt normalerweise 5 V (Logik) bzw. 10 V (Standard), abhängig von der Art des MOSFET und davon, ob es sich um eine Logik- oder Standardspannung Vgs(th) handelt. Ohne ausreichende VGS kann RDS(ON) rapide ansteigen, zwischen verschiedenen Geräten deutlich schwanken und hochgradig temperaturabhängig sein. Abb. 3 zeigt zur Veranschaulichung Kurven für Dioden DMTH6004SPS.

Im Extremfall mit einer geringen Spannung VGS wird der ZTC unterschritten und im MOSFET wird der Bereich eines positiven Temperaturkoeffizienten erreicht. Dadurch wird der Stromabtrag in den MOSFET-Zellen gebremst, die Temperatur gerät außer Kontrolle, ein Hot Spot bildet sich und das Gerät fällt aus.

MOSFETs in einer Vollbrücken-Konfiguration

Für eine gegebene Größe ist der Widerstand RDS(ON) eines n-Kanal-MOSFETs normalerweise halb so groß wie in einem entsprechenden p-Kanal-Gerät und daher ist es üblich, für Anwendungen mit Elektromotoren n-Kanal-MOSFETs vorzugeben. In Abb. 4 sind fünf Stufen eines Vollbrücken-Motorantriebskreises mit n-Kanal-MOSFETs dargestellt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass solche Schaltkreise den Auswirkungen eines Umkehrstroms aufgrund der Body-Diode des MOSFETs unterliegen. Diese Auswirkungen lassen sich mit Algorithmen zur PWM zur Verringerung der Verzugszeit reduzieren, dabei ist es ebenfalls empfehlenswert, parallel zum MOSFET eine Diode mit kurzer Sperrverzugszeit und geringer Vorwärtsspannung vorzugeben.

Fazit

Für den Einsatz in der Industrie und im Automobilbau werden zunehmend bürstenlose Gleichstrommotoren vorgesehen. Sie bieten einen höheren Wirkungsgrad, sind zuverlässiger und ermöglichen eine bessere Steuerung einer Vielzahl von Funktionen. Beispielsweise können sie mechanische Pumpen und Lüfter ersetzen und industrielle Prozesse automatisieren.

Der Antrieb eines BLDC-Motors erfordert ein MCU zur Regelung, gekoppelt mit entsprechend ausgelegten MOSFETs zur Stromversorgung. Der Dreh- und Angelpunkt eines guten Designs ist die Wärmeabfuhr, und dies schließt auch das Wissen darum ein, wie mit der passenden MOSFET-Ausführung die Anforderungen von Antriebskreisen für BLDC-Motoren am besten erfüllt werden können.

Durch das Verständnis und die Anerkennung der relevanten Parameter können Techniker den für die Aufgabe am besten geeigneten MOSFET auswählen und damit auch unter schwierigsten Bedingungen die höchstmögliche Zuverlässigkeit und Effizienz gewährleisten.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Addressing the need for MOSFETs in BLDC motors
Zur Notwendigkeit von BLDC-Motoren