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Blog Serie Teil 2: Was versteht man unter einer »Smart Gate Drive«-Architektur?

In diesem Teil der Blog-Serie geht es um »TDRIVE« von Texas Instruments. Der eingebaute Gatetreiber-Zustandsautomat hilft bei der Realisierung robusterer und effizienterer Antriebssysteme.

Shoot-through-Phänomen Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 1. Beispiel für das Shoot-through-Phänomen

In Fortsetzung des Beitrages über die Smart Gate Drive Architektur wurde IDRIVE von Texas Instruments vorgestellt. Darunter versteht man die Fähigkeit zur dynamischen Einstellung des Ausgangs-Treiberstroms des Gatetreibers und damit zur dynamischen Kontrolle der Flankensteilheit des MOSFET. In diesem Teil ist TDRIVE das Thema. Dieser eingebaute Gatetreiber-Zustandsautomat hilft bei der Realisierung eines robusteren und effizienteren Antriebssystems.

TDRIVE besteht aus drei Haupt-Bestandteilen: einem MOSFET-Handshake-Schema, einer Gatefehler-Erkennung und einer dV/dt-Einschaltsperre. Mit dem MOSFET-Handshake-Schema als der ersten Komponente verhindert die Smart Gate Drive-Architektur das Entstehen von Shoot-through- oder Querströmen im MOSFET infolge einer unzureichenden Totzeit.

Erhält der high-seitige MOSFET einen Einschaltbefehl, wenn gleichzeitig der low-seitige MOSFET ausgeschaltet wird, kann es wegen der Verzögerung zwischen Abschalten und Einschalten passieren, dass während einer kurzen Zeitspanne beide MOSFETs leitend sind. Zu diesem in Bild 1 veranschaulichten Shoot-through-Phänomen kann es kommen, wenn die Totzeit nicht ausreicht.

Shoot-through-Phänomen Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 1. Beispiel für das Shoot-through-Phänomen

Unter der Totzeit versteht man eine Verzögerung zwischen den Eingangssignalen (Bild 2), die dem einen MOSFET genügend Zeit zum Abschalten geben soll, bevor der andere MOSFET einschaltet. Die richtige Zeitspanne wird in der Regel durch Ausprobieren ermittelt. Außerdem fügt man oft eine gewisse Sicherheitsspanne hinzu, um sicherzugehen, dass es auch im realen Betrieb des Antriebssystems bei wechselnden Betriebsspannungen und Temperaturen zu keinen Querströmen kommt.

Totzeit Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 2. Totzeit

Wünschenswert ist die Totzeit allerdings nicht, da sie den Wirkungsgrad von Antriebssystemen beeinträchtigt. Sofern man nicht die ideale Totzeit einstellt, geht die Effizienz zurück, denn in den Body-Dioden der beiden MOSFETs fällt Verlustleistung ab, während beide MOSFETs abgeschaltet sind, da der Strom wegen der Induktivität der Motorwicklungen weiterfließt.  

Um dieses Problem zu lösen, ermittelt TDRIVE automatisch die richtige Totzeit – unabhängig von den Eingängen, den MOSFETs oder anderen Systembedingungen. TDRIVE stellt mithilfe eingebauter Schaltungen zur Überwachung der Gate-Source-Spannung (VGS) fest, wann der eine MOSFET abgeschaltet hat und der andere eingeschaltet werden kann (Bild 3). Durch diese Überwachung der VGS-Werte kann der Handshake-Mechanismus die optimale Totzeit einfügen, selbst wenn sich bestimmte Systemparameter über die Lebensdauer des Antriebs hinweg ändern.

VGS-Überwachungsschaltungen Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 3. VGS-Überwachungsschaltungen

Diese Beschreibung der VGS-Monitorschaltungen bringt mich darauf, wie TDRIVE die Funktion zur Erkennung von MOSFET-Gatefehlern und die dV/dt-Einschaltsperre implementiert. Ganz einfach ausgedrückt, startet der Beginn eines jeden Schalt-Ereignisses einen internen Timer. Dieser Timer ist der zentrale Teil von TDRIVE und triggert mehrere Mechanismen innerhalb des Gatetreibers.  

Zunächst weist der TDRIVE-Timer den Gatetreiber an, eine starke Pull-down-Funktion am entgegengesetzten MOSFET zu aktivieren, bis der Timer abläuft. Dies verhindert ein ungewolltes Einschalten infolge steiler Spannungsflanken, ohne dass im normalen Betrieb, wenn keine starke Pull-down-Funktion benötigt wird, Abstriche an der gewünschten Gatetreiber-Einstellung und dem angestrebten Wirkungsgrad gemacht werden müssen. Zum Einschalten infolge steiler Spannungsflanken kommt es, wenn Ladung aus dem Schalt-Knoten durch die parasitäre Kapazität des MOSFET (siehe Bild 4) in das MOSFET-Gate eingekoppelt wird.

Gelangt auf diese Weise genügend Ladung in das MOSFET-Gate, so entsteht eine Spannung, die wiederum den entgegengesetzten MOSFET einschaltet und einen Shoot-through-Strom hervorruft. Eine Möglichkeit, dies zu unterbinden, ist die Aktivierung eines wirkungsvollen Entlade-Stromwegs für den entgegengesetzten MOSFET. Genau dies geschieht während des TDRIVE-Zeitintervalls.

Einschalten Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 4. Einschalten durch steile Spannungsflanken

Als nächsten TDRIVE-Mechanismus ist die Prüfung der Gate-Source-Spannung am Ende des TDRIVE-Intervalls zu erwähnen. Je nachdem, ob der MOSFET gerade ein- oder abschaltet, wird ein Gatetreiber-Fehler gemeldet, wenn VGS nicht auf die Gatetreiber-Spannung gestiegen oder auf 0 V gefallen ist. Ein solcher Gatetreiber-Fehler kann auf einen Kurzschluss oder eine unzureichende Gatesignal-Verbindung hindeuten. Durch die Detektierung von Problemen am MOSFET-Gate kann sich der Gatetreiber abschalten, um weitere Schäden am System zu vermeiden und dem System-Controller einen Fehler zu melden. Bild 5 zeigt ein Beispiel für die gesamte TDRIVE-Sequenz.

TDRIVE-Sequenz Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 5. Exemplarischer Ablauf der TDRIVE-Sequenz

Themen dieser Art in Textform zu behandeln, ist nicht immer ganz einfach. Wenn Sie diese Features selbst evaluieren möchten, empfehle ich Ihnen das BOOSTXL-DRV8305EVM. Bei diesem BoosterPack™ Steckmodul handelt es sich um eine komplette Treiberstufe für einen bürstenlosen Drei-Phasen-Gleichstrommotor. Es basiert auf dem Smart Motor Gate Driver DRV8305 und lässt sich an die Texas Instruments Microcontroller (MCU) LaunchPad™ Entwicklungs-Kits anschließen, um ein komplettes Motortreiber- und Regelungssystem zu konfigurieren.

Zusätzliche Ressourcen

·         Mehr erfahren Sie im Applikationsbericht „Understanding IDRIVE and TDRIVE in TI Motor Gate Drivers”.

·         Sehen Sie auch das Lehrvideo Smart Gate Drive Technology Introduction.

·         Sehen Sie sich auch das Lehrvideo MOSFET Slew Rate Control zur Smart Motor Gate Drive Serie an.

·         Verfolgen Sie die Diskussionen im Motor Drive Forum der TI E2E™ Community.

·         Weiterführend ist ebenfalls das Referenzdesign „Automotive 12 V 200 W (20 A) BLDC Motor Drive” (TIDA – 00901) aus der TI-Designs-Reihe.