Geschützte Leistungsschalter für Automotive und Industrie

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Infineon Technologies AG

Das Besondere an den hier skizzierten High-Side-Leistungsschaltern PROFET (ProtectedFET) für ohmsche, induktive und kapazitive Lasten in Automotive und Industrie sind ihre Diagnose- und Schutzfunktionen.

Dieser Artikel befasst sich mit den intelligenten Leistungsschaltern der PROFET-Produktfamilie (PROFET, PROFET+2, Power-PROFET, PROFET+12V und PROFET+24V) zum Einsatz in Automotive- und Industrieelektronik. Der erste Teil des Artikels skizziert die technischen Eigenschaften der Leistungsbausteine, der zweite Teil nennt die typischen Applikationen, in denen diese Leistungshalbleiter zum Einsatz kommen.

PROFET steht für PROtected FET und bezeichnet Leistungsbausteine mit integrierten Schutz- und Diagnosefunktionen, die für das Schalten von hohen Strömen ausgelegt sind. Sie können neben regulären Betriebsströmen und geringen Überlastströmen auch im Fehlerfall hohe Überlastströme und Kurzschlussströme einschalten, diese Fehlerströme halten und auch sicher ohne Folgeschaden ausschalten. Die intelligenten Leistungsschalter dieser Produktfamilie steuern alle Arten von ohmschen, induktiven und kapazitiven Lasten an und beanspruchen im Fahrzeug weniger Platz als Relais und Sicherungen. Um einen vollständigen Schutz zu gewährleisten, integrieren die Leistungshalbleiter einen DMOS-Leistungstransistor und einen CMOS-Logik-Schaltkreis.

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Zu den besonderen Funktionsmerkmalen der PROFET-Schalter gehören weiterhin ihre Flexibilität, die den Aufbau eines intelligenten Stromversorgungsnetz ermöglicht, sowie ihre Funktionsvielfalt und lange Lebensdauer. Die Schaltfestigkeit von Relais und Sicherungen liegt bei etwa 200.000 Stunden; bei den Leistungsschaltern der PROFET-Familie beträgt diese mehr als eine Million Stunden.

Die integrierten Diagnose- und Schutzfunktionen, etwa Übertemperaturschutz, sorgen für eine hohe Zuverlässigkeit. Deshalb eignen sich die High-Side-Schalter für Anwendungen mit hohen Schaltzyklen bei hohem Energiefluss. Im Vergleich zu vorherigen Lösungen senken die Power-PROFET die Verluste um den Faktor 7 und brauchen weniger als 2 W bei einem Gleichstrom von 30 A. Ein intelligentes Power-Management wird durch die integrierte Stromabtastung und Pulsbreiten-Modulation möglich. Zusätzlich weisen die Halbleiter eine Energiekapazität von maximal 3000 mJ für Einzelpulse und 550 mJ für repetitive Pulse auf. Damit wird die Freilaufdiode in vielen Anwendungen verzichtbar.

Vorteile der neuen Generation der PROFET+2-Familie

Die jüngste Generation der PROFET-Schalter heißt PROFET+2. Sie steht für Energieeffizienz und Miniaturisierung. Die Komponenten dieser Familie gibt es als ein-, zwei- und vierkanalige High-Side-Leistungsschalter (2 bis 200 mΩ). Die Produktfamilie besitzt den vergleichsweise kleinsten Formfaktor, den niedrigsten R_DS(on) (1 x 2 mΩ) und ein 0,65-mm-Pin-Raster im kleinen TSDSO-14-Gehäuse. Im Vergleich zu gängigen High-Side-Schaltern im DPAK-Gehäuse sind die PROFET+2-Schalter damit nur halb so groß und gegenüber D²PAK sogar um 80% kleiner.

Um einige Hauptmerkmale zu nennen, profitieren Anwender von der neuen, intelligenten Neustart-Steuerung für eine absolute und dynamische Temperaturbegrenzung und nicht zuletzt von einem Überstromschutz. Für die geringe Verlustleistung bei umgekehrter Polarität sorgt die integrierte Verpolungsschutz-Funktion ReverSave. Infineon ist der erste Hersteller auf dem Markt, der diesen Verpolungsschutz in einen monolithischen Chip integriert. Und fällt die Betriebsspannung (z.B. Batteriespannung) bis auf 3,1 V ab, dann bleibt dennoch die volle Baustein-Funktionalität erhalten.

Der Laststrom lässt sich mit einer Genauigkeit von +/-5% am Strom-Sense-Ausgang überwachen. Alle Bausteine sind gemäß AECQ100-geprüft. Typische Applikationen im Fahrzeug sind 12-V-Beleuchtungsanwendungen mit kapazitiven Lasten, etwa LED-Module, Halogenlampen oder ohmsche Lasten wie Sitzheizungsanwendungen, die einen Nennstrom von unter 8 A benötigen.

Anwendung im Automobil und im Nutzfahrzeug

Ausgelegt für hohe Schaltzyklusanforderungen kommen die 12-V- und 24-V-PROFETs insbesondere für Anwendungen im Automobil und in Nutzfahrzeugen zum Einsatz. Applikationen sind beispielsweise Starter von Start-Stopp-Systemen oder elektrische Vakuumpumpen von Bremssystemen. Solche Systeme profitieren vom niedrigen Durchlasswiderstand der Schalter bis maximal 1,0 mΩ. Dazu gehören auch Hochstrom-Anwendungen mit 20 bis 40 A Gleichstrom, etwa Heckscheiben-Heizungen oder Kfz-Steuergeräte. Weitere Fahrzeugapplikationen sind Außen- und Innenbeleuchtung (Glühfadenlampen und LED), smarte zentrale Stromversorgung (Power Distribution Center, PDC), die Elektromotor-Steuerung mit DC-Bürstenmotor, Pumpen, Lüfter oder das Infotainment.

Neben dem Einsatz in 12-V-Anwendungen des Fahrzeugs entwickelte Infineon auch ein umfassendes Portfolio an robusten Steuer- und Leistungshalbleitern für Nutzfahrzeuge, Bau- und Landmaschinen. Die Bausteine PROFET+24V sind eine skalierbare Familie, die als einzige High-Side-Schalter auf dem Markt mit 12-V-Komponenten Pin-kompatibel ist. Diese Halbleiter bieten umfassende Schutzfunktionen, eine sehr schnelle Stromdiagnose, einen erweiterten Betriebsspannungsbereich und eine hohe Kurzschlussfestigkeit für alle Arten von Lasten (ohmsch, kapazitiv, induktiv) von 0,5 bis 10 A.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die ISO26262-Qualifikation (ASIL B) für den Fast Switch BTF6070-2EKV/-2ERV, der vor allem in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie ABS- und ESP-Systemen eingesetzt wird. Alle intelligenten Leistungsschalter sind für 24 V Load-Dump-getestet; unter Load Dump versteht man das Entstehen einer Spannungsspitze nach Lastabwurf, etwa an einer Kfz-Lichtmaschine.

Untergebracht in einem PG-TDSO-14- bzw PG-TDSO-8-Gehäuse sind die Chips Pin-kompatibel zur 12-V-Serie PROFET+. Zur Evaluierung der Bausteine gibt es den Application Demonstrator PROFET+24V BTF6070-2EKV für Anwendungen wie ABS/EBS-Ventile und Beleuchtung mit Schnelldiagnose- und Schutzfunktionen. Zudem gibt es für das schnelle Prototyping entsprechende Arduino Shields mit Democode sowie Online Simulationen.

PROFET-Bausteine in industriellen Anwendungen

Neben den 12-V- und 24-V-PROFET-Bausteinen für den Automobil- und Nutzfahrzeugbereich steht ein Portfolio für Industrie- und Multimarket-Applikationen zur Verfügung. Dieses Portfolio umfasst zahlreiche Einzel- und Mehrkanalbausteine mit Lastströmen von <0,5 bis 7 A. Typische Einsatzmöglichkeiten sind in Ein- und Ausgangsmodule für speicherprogrammierbare Steuerungen gegeben oder in Steuerungen elektrischer Antriebe, Robotik oder allgemeines Last-Management. Die jüngste Familie trägt die Bezeichnung ITS4075 PROFET. Ein 2-Kanal-Baustein und drei 4-Kanal-Bausteine mit optimiertem R_DS(on) zwischen 40 und 130 mΩ pro Kanal haben eine Strombegrenzung von typischerweise dem doppelten Nennstrom. Dies reduziert den Aufwand bei Leiterbahnen und Steckverbindern im I/O-Modul-Entwurf. Das winzige TSDO14-Gehäuse mit 4,9 mm x 6 mm Kantenlänge berücksichtigt die Modul-Anforderungen nach geringstem Platzbedarf pro Kanal.

Eine wachsende Bedeutung von industriellen PROFETs ist beispielsweise in speicherprogrammierbaren Steuerungen und gerade im Industrie-4.0-Ansatz sowie der entstehenden Smart-Factory-Initiativen erkennbar. Systeme zur Stromverteilung profitieren in hohem Maß von der Zuverlässigkeit, dem kleinen Formfaktor und den Schutz- und Diagnosefunktionen.

IGBT: Wie funktioniert ein Insulated Gate Bipolar Transistor?

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2019 (Download PDF)

* Marlene Würcher ist Global Marketing Managerin ATV bei Infineon, Neubiberg.

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