Wie Wide-Bandgap-Halbleiter das Motorkontrolldesign revolutionieren

Motorkontrollsysteme bestehen aus Software und Hardware – einschließlich IGBTs, Wide-Bandgap (WBG)-Halbleitern und Mikrocontrollereinheiten (MCUs) – deren Komplexität stetig zunimmt.

Im Zeitalter von Industrie 4.0 steht Motorkontrolle im Zentrum der digitalen Transformation. Energieeffizienz ist oberstes Gebot, da der globale Strombedarf industrieller Elektromotoren weiter steigt. Entwickler und Komponentenhersteller priorisieren daher Lösungen, die höhere Leistung bei geringerem Stromverbrauch liefern.

Die Designkomplexität wächst auch durch strenge Kontrollanforderungen, die anspruchsvolle Elektronik erfordern. Wide-Bandgap-Materialien wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) werden zu unverzichtbaren Enablern.

Motorkontrolle erstreckt sich über mehrere Ebenen – von der Low-Level-Bewegungssteuerung, die rechenintensive Algorithmen ausführt, bis zur High-Level-Anwendungslogik, die Lüfter, Pumpen, Roboter und Servomechanismen verwaltet. Im Folgenden skizzieren wir die wichtigsten Bausteine.

Motoren und Treiber

DC-Motoren dominieren kostenkritische Anwendungen. Sie bestehen aus einem Stator (oft ein Permanentmagnet) und einem Rotor, der Wicklungen beherbergt, die mit einem Kommutator verbunden sind. Die Drehzahlregelung erfolgt durch Steuerung der Gleichspannung. Je nach Anwendung treiben Vollbrücken-, Halbbrücken- oder Abwärtswandler den Motor an.

AC-Motoren basieren auf einem Transformator: die Primärseite ist mit der Wechselstromversorgung verbunden, während die Sekundärseite den induzierten Strom erzeugt. Mikroprozessorbasierte Elektronik, Wechselrichter und Signalaufbereitung managen Drehzahl und Drehmoment.

Der Controller ist das „Gehirn“ des Systems. In einfachen Setups genügt ein einzelner Controller; in komplexen Antrieben koordinieren mehrere Controller Befehle an die Motoren und lesen Aktuatorsignale zurück.

Industrierobotik nutzt fast ausschließlich dreiphasige AC-Motoren. Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerschaltung, in der ein dedizierter MCU ein PWM-Signal erzeugt. Für anspruchsvollere Filteraufgaben werden DSPs oder FPGAs bevorzugt.

Ein beliebter DC-Motor-Controller ist Trinamics TMCM-1637 (5 A RMS) und TMCM-1638 (7 A RMS) Module. Diese Steckkarten verfügen über feldorientierte Controller, Hallsensoren und ABN-Encoder und unterstützen einphasige DC-, zweiphasige bipolare Schritt- und dreiphasige bürstenlose DC-Motoren (BLDC). Abbildung 2 zeigt deren Layout.

IGBTs

Isolierte-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs) sind ein Durchbruch in der Leistungsschaltelektronik und ermöglichen Hochfrequenzbetrieb, der für moderne Motorantriebe essenziell ist. Aktuelle IGBTs bieten eine überlegene Balance aus Geschwindigkeit und Stabilität, selbst unter extremen Automobilbedingungen.

STMicroelectronics' 1.200-V-IGBT-S-Serie ist für Niederfrequenzbetrieb (bis 8 kHz) optimiert und weist einen niedrigen V_ce(sat) auf. Auf dritter Generation Trench-Gate Field-Stop-Technologie basierend, liefert sie robuste Leistung.

GaN und SiC

WBG-Materialien – GaN und SiC – verdrängen Silizium zunehmend in Motorkontroll-Leistungsstufen. Ihre Vorteile umfassen:

• Geringere Leitungs- und Schaltverluste
• Höhere Schaltfrequenzen (bis zu 10× schneller)
• Höhere Betriebstemperaturen (> 150 °C)
• Höhere Durchbruchspannungen
• Verbesserte Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen

GaN-HEMTs weisen höhere Elektronenmobilität auf, was schnellere Anstiegszeiten, niedrigeren R_DS(on) und reduzierte Gate-Kapazität bewirkt. Diese Eigenschaften ermöglichen bis zu 10× höhere Schaltfrequenzen als Silizium, was Verluste und Wärmeentwicklung reduziert.

Geringere Leistungsdissipation bedeutet, dass weniger Kühllüfter benötigt werden, was lüfterlose Designs ermöglicht – besonders wertvoll in leichten Anwendungen wie Drohnen.

SiC-MOSFETs bieten signifikante Effizienzgewinne und kleinere Kühlkörper im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbauelementen. Ihre vernachlässigbaren Reverse-Recovery-Verluste und sehr niedriger R_DS(on) pro Flächeneinheit erlauben Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen bei handhabbarem Thermobudget.

Industrieantriebe müssen hohes dV/dt beim Ein- und Ausschalten managen. SiC-MOSFETs können dV/dt erzeugen, das mehrere Male höher ist als bei IGBTs; daher verhindert sorgfältiges Design – oft zielend auf 5–10 V/ns – Spannungsspitzen, die Motorisolierung beschädigen könnten.

Ein STMicroelectronics-Vergleich eines 1,2-kV-SiC-MOSFET gegenüber einem Silizium-IGBT zeigt deutlich geringere Energieverluste sowohl beim Ein- als auch Ausschalten unter 5 V/ns Belastung. Abbildung 3 illustriert die Ergebnisse.

SiC-Bauelemente ermöglichen Designern die Wahl der optimalen Schaltfrequenz für einen gegebenen Motor und liefern Leistungs-, Größen- und Zuverlässigkeitsvorteile in Automotive und Industrieautomation.

Infineons CoolSiC MOSFETs mit .XT-Verbindungstechnologie im 1.200-V-D²PAK-7-SMD-Gehäuse ermöglichen passive Kühlung in leistungsdichten Motorantrieben. Dies unterstützt wartungsfreie, lüfterlose Inverter für Robotik und Automation. Abbildung 4 demonstriert Leitungsverlustreduktion in allen Betriebsmodi.

Mikrocontroller

Motorkontrolllösungen verbinden Hardware – IGBTs, SiC/GaN-MOSFETs, Leistungsdioden – mit anspruchsvoller Software, die diese managt. Moderne MCUs liefern die Rechenleistung für Echtzeitkontrolle, Diagnostik und vorausschauende Wartung.

NXPs MPC57xx-Familie (Power Architecture) unterstützt Automotive- und Industrie-Antriebsanwendungen, bietet AEC-Q100-Qualität, On-Chip-Verschlüsselung und ISO 26262/IEC 61508 funktionale Sicherheit. Sie stellt Ethernet (FEC), Dual-Channel-FlexRay und diverse serielle Schnittstellen bereit.

Renesas' RA6T1 (Cortex-M4) läuft mit 120 MHz und kann zwei BLDC-Motoren simultan steuern. Integriert mit TensorFlow Lite Micro fügt es intelligente Fehlererkennung für sensorbasierte Motorsysteme hinzu und ermöglicht vorausschauende Wartung.

Da sich Motoranforderungen diversifizieren, bietet der Markt ein Spektrum an IGBTs, WBG-Halbleitern und MCUs. Zukünftige Hardware muss Echtzeitaufgaben vom Prozessor entlasten, während Diagnostik, KI und funktionale Sicherheitsfähigkeiten erweitert werden.

> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power Electronics News veröffentlicht.

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