Soluzioni per i sistemi di controllo motori

AUTOMOTIVE –

Le tecnologie di azionamento e gli stadi di potenza sono in grado di migliorare le prestazioni, ridurre il time-to-market e abbattere i costi relativi al comfort e alle funzioni accessorie dell’autoveicolo.

Gli azionamenti elettrici delle moderne autovetture offrono agli utilizzatori un maggiore comfort e consentono ai costruttori di ridurre dimensioni, pesi e costi dei diversi impianti presenti nell'autoveicolo. Oggi le automobili utilizzano numerosi motori elettrici per funzioni come la climatizzazione, la regolazione dei sedili e degli specchietti retrovisori, l'orientamento dei fari, il pompaggio dell'acqua e impianti più grandi come il servosterzo. Nella maggior parte dei casi, un motore brushless in c.c. o Bldc, è preferibile per la sua elevata affidabilità, il basso attrito, le piccole dimensioni e i costi relativamente contenuti. Tuttavia, gli azionamenti e i comandi dei sistemi Bldc sono più complessi rispetto ai tradizionali motori a spazzole. Pertanto, essi inducono da sempre i sistemisti a porre l'attenzione su caratteristiche come la precisione nel controllo della velocità e della posizione, un rendimento elevato con poca generazione di calore e un rumore acustico contenuto. Per giunta, in molti casi, queste caratteristiche devono essere disponibili in tempi brevi e a prezzi altamente competitivi.

Problematiche relative al controllo motore
Gli aspetti critici dello sviluppo dei sistemi Bldc riguardano il progetto dell'elettronica di controllo, nonché la minimizzazione delle perdite nel ponte di potenza che eroga corrente agli avvolgimenti del motore. Tradizionalmente, la progettazione e la programmazione di un controller Bldc senza sensori sono affidate a personale specializzato e possono essere lunghe e costose, sia per quanto riguarda la realizzazione del circuito che per lo sviluppo del software. Per questo motivo, spesso si preferisce utilizzare un controller integrato ottimizzato per l'uso specifico e comprendente molte delle principali funzioni hardware: è una soluzione sempre più utilizzata in diverse applicazioni industriali e degli elettrodomestici. Ciononostante non è facile individuare dispositivi in grado di offrire le funzioni richieste da un autoveicolo e che soddisfino gli attuali standard.

Azionamenti integrati per autoveicoli
È per questo motivo che Toshiba ha deciso di investire nello sviluppo di controller/preazionamenti integrati, ottimizzati per pilotare lo stadio di potenza nei motori di autoveicoli e conformi agli stringenti requisiti degli standard AEC-Q100 e TS16949. Questi dispositivi consentiranno l’utilizzo commerciale su larga scala dei motori Bldc in un settore così sensibile ai costi come quello automobilistico. Il 2010 prevede il lancio di una prima famiglia di circuiti integrati dedicati ad applicazioni automobilistiche. Di questi dispositivi, il TB9061FNG potrà essere impiegato per azionare ventole e pompe, dove non occorre una regolazione veloce del carico né il controllo preciso dell'angolo del rotore. Presentato come sistema di preazionamento di motori bushless trifase senza sensori, questo circuito integrato accetta in ingresso segnali di controllo Pwm e DC e comprende sei uscite di preazionamento (Mos canale P / Canale N) per il controllo di motori trifase. Il dispositivo è molto più semplice da programmare, comprendendo un core logico hardware per il controllo sensorless e un circuito logico di controllo costituito da un contatore Pwm, un Adc a 8 bit e un generatore Pwm. I segnali Pwm in ingresso con frequenze nel range da 10 Hz a 1 kHz possono essere utilizzati efficacemente per variare il duty-cycle da circa il 5% al 95%. Il segnale Pwm in ingresso viene misurato ed elaborato dal circuito logico integrato. Il chip genera quindi un corrispondente segnale Pwm trifase a 20 kHz alle uscite. Grazie a questo dispositivo, i progettisti riescono a controllare la rotazione del motore in senso orario e antiorario utilizzando un unico pin esterno, mentre comparatori incorporati a 3 canali riducono al minimo la necessità di componenti supplementari per il rilevamento della tensione indotta del motore. Inoltre, il rilevamento incorporato della modalità di stallo e il controllo del ripristino automatico garantiscono un funzionamento robusto e affidabile, insieme ad altre funzioni di sicurezza come il rilevamento delle sovracorrenti e delle sovratensioni. Il sistema di rilevazione delle sovracorrenti può essere attivato da due diverse condizioni (corrente troppo bassa o corrente troppo alta).

Il ruolo dei semiconduttori di potenza
Naturalmente, il circuito di pilotaggio è solo un componente del sistema di azionamento del motore; uno stadio di potenza ottimizzato è altrettanto importante ed è qui che i recenti progressi nella tecnologia Mosfet possono agevolare il lavoro del progettista dell'autoveicolo. I Mosfet utilizzati in sistemi di controllo di autoveicoli devono tipicamente essere di piccole dimensioni, ma capaci di gestire correnti elevate e di sostenere molte migliaia di cicli di accensione e spegnimento. Allo stesso tempo, devono offrire un'elevata affidabilità nell'ambiente spesso difficile dell'autoveicolo e devono essere conformi agli standard AECQ101 e TS16949. La soluzione per ottenere Mosfet piccoli, affidabili e in grado di gestire correnti elevate e molte migliaia di cicli di accensione/spegnimento è un dispositivo a basse perdite sia a livello del chip di silicio che a livello del contenitore. In realtà, il progetto a basse perdite del dispositivo è indispensabile per massimizzare l'affidabilità, minimizzando gli effetti termici delle correnti continue e pulsanti a cui il dispositivo può essere esposto. È quindi importante ridurre la resistenza di conduzione (RDS(ON)) e gli altri fattori che possono incrementare le perdite per effetto Joule. D'altro canto, il comportamento in commutazione richiede l'esame di fattori come la carica di gate (Qg) e la capacità di ingresso (Ciss). Per quanto riguarda il progetto del contenitore, l'ottimizzazione delle caratteristiche dei contatti del dispositivo e delle connessioni ohmiche interne può contribuire a minimizzare l'effetto Joule, riducendo la resistenza elettrica. È anche necessario ridurre la resistenza termica del sistema contatti-connessioni-sovrastampaggi, al fine di agevolare la dissipazione del calore generato all'interno del dispositivo nel modo più efficiente possibile.
A livello del chip di silicio, una bassa resistenza di conduzione tipica contribuisce anche a minimizzare il riscaldamento del die per effetto Joule. Una bassa Ciss è altamente desiderabile nei Mosfet per autoveicoli, poiché riduce l’assorbimento di energia all'accensione e permette una rapida risposta ai segnali di controllo. Nei ponti H, il comportamento dei Mosfet allo spegnimento non è un problema. Nei motori Bldc trifase occorre controllare il tempo morto, ossia il tempo di spegnimento deve essere sufficientemente rapido per impedire a eventuali cortocircuiti di danneggiare i Mosfet presenti sul ramo dell'alimentazione (high-side) e sul ramo della massa (low-side). La soluzione Toshiba a questi problemi è lo sviluppo di una famiglia di Mosfet in grado di combinare i progressi della tecnologia di incapsulamento Toshiba WARP con l’avanzata tecnologia U-MOS IV a trincea. L’architettura a trincea offre una bassa RDS(ON) , una bassa capacità di ingresso, una bassa carica di gate e la capacità di gestire correnti elevate. I Mosfet per autoveicoli da sempre utilizzano architetture di incapsulamento e materiali di tipo tradizionale, il che di fatto limita le prestazioni di sistema. D'altro canto, i nuovi contenitori WARP di Toshiba presentano una serie di innovazioni mirate a ridurre la generazione di calore interno, ad aumentare la dissipazione termica e a prolungare quindi la durata complessiva del sistema. Un esempio è rappresentato dai morsetti in rame che sostituiscono le tradizionali connessioni a filo di alluminio, e sono ottimizzati per mantenere una connessione meccanica affidabile, possono sostenere ripetuti cicli di accensione/spegnimento e sono in grado di resistere agli urti e alle vibrazioni. Il morsetto possiede una sezione maggiore rispetto a un’interconnessione di tipo multi-bondwire e questa caratteristica, combinata alla maggiore conducibilità elettrica del rame, riduce notevolmente le perdite nel contenitore per effetto Joule. Inoltre, il morsetto in rame riduce l’induttanza del contenitore, pertanto non solo si riduce ulteriormente il calore sviluppato ma migliorano anche le prestazioni in termini di rumore e di velocità di commutazione. Infine, un contatto di source più largo crea un percorso a bassa resistenza per la corrente che entra nel dispositivo. Le interconnessioni dirette in rame e l'ampio contatto di source, insieme sono in grado di migliorare la resistenza termica del contenitore di circa il 20%.
I progressi nella tecnologia di incapsulamento e l'architettura a canale U-MOS IV si combinano nella famiglia di Mosfet automobilistici Toshiba WARP-FET, che offre una capacità di gestire correnti fino a 150 A e tensioni fino a 75 V (VDSS). La tecnologia a trincea contribuisce ad ottenere una RDS(ON) tipica di soli 1,7 mΩ e una Ciss tipica fino a 4500 pF.
I miglioramenti nelle prestazioni del sistema contenitore-die consentono di ridurre notevolmente le perdite elettriche e di migliorare la dissipazione termica. Di conseguenza, la temperatura media del Mosfet è apprezzabilmente inferiore a un dispositivo analogo che utilizza un incapsulamento di tipo tradizionale e un'architettura a trincea.  La sinergia risultante dalle migliori prestazioni del silicio e dalla riduzione delle perdite nei contenitori consente ai nuovi Mosfet di sostenere molte migliaia di cicli di accensione/spegnimento. Ciò consente di migliorare l'affidabilità dei sistemi di controllo Bldc nei motori degli autoveicoli.

Soluzione di sistema
La sinergia tra il driver integrato di Toshiba e la nuova tecnologia Mosfet per autoveicoli consente di semplificare e sveltire la realizzazione dei sistemi di azionamento dei motori per autoveicoli. Per accelerare lo sviluppo Toshiba lancerà a breve una scheda di valutazione che combina il driver integrato TB9061FNG con sei Fet Warp e una pompa campione per autoveicoli. Il motore della pompa può essere controllato utilizzando un generatore di impulsi collegato all'ingresso Pwm della scheda, oppure applicando un segnale di controllo in c.c.. Questa combinazione driver integrato/Mosfet per autoveicoli è una vera e propria soluzione di sistema per il controllo di motori automobilistici brushless e permette quindi di ridurre in modo significativo il tempo richiesto ai progettisti per identificare e selezionare i componenti e progettare la circuiteria, garantendo al contempo la qualità e l'affidabilità del prodotto finale.

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