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Sicherheit dank Überspannungsschutz

Transientenschutz für nichtisolierte DC/DC-Power-Module

13. Juni 2023, 9:00 Uhr | Von Timur Uludag, Würth Elektronik eiSos

Im Industrieumfeld kommt es aufgrund der umfangreichen elektrischen Infrastruktur häufig zu transienten Überspannungen. Um einen effizienten Filter zur Begrenzung dieser Überspannungen zu entwickeln, sind viele Einflussparameter zu berücksichtigen.

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Viele industrielle Anwendungen arbeiten heute mit logischen Eingangsspannungen wie 5 V_DC oder niedriger. Das Stromverteilungssystem, das zur Versorgung solcher Anwendungen eingesetzt wird, arbeitet häufig mit einer DC-Busspannung von 24 V_DC. Für die Umwandlung der höheren Busspannungen auf den niedrigeren logischen Spannungspegel werden in der Regel schaltende DC/DC-Wandler eingesetzt.

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Bild 1 zeigt die grundlegende elektrische Struktur einer Industrieanlage. Die einzelnen Teile der Anwendungen werden über einen DC-Bus versorgt. Vor Ort ist jeder einzelne elektrische Verbraucher über eine Unterverteilung mit 24 V angeschlossen. Um die Betriebsspannung für alle Teilsysteme bereitzustellen, lassen sich nichtisolierte Power-Module einsetzen.

Entstehung von Überspannungen

Transienten lassen sich als kurzzeitige Abweichungen von einem nominellen Spannungswert definieren, die den zulässigen Toleranzbereich der Nennspannung in einem elektrischen System überschreiten. Die Auswirkungen der Transienten sind meist zerstörerisch.

Es gibt in der Regel nicht nur eine einzige mögliche Ursache für eine Transiente auf dem DC-Bus, die zu einem abrupten Anstieg führt. Der Ursprung der Transiente kann wie in Bild 1 Teil A ein Blitzeinschlag sein (in diesem Fall spricht man von einem Überspannungsstoß, »Surge«), oder sie kann im System selbst erzeugt werden (Bild 1, Teil B). Klassischerweise ist der 24-V-Bus im industriellen Umfeld für 19,2 bis 30 V spezifiziert. Bei der Betrachtung transienter Überspannungen müssen weitere Effekte berücksichtigt werden. Ist zum Beispiel die 24-V-Versorgungsleitung parallel zur Steuerleitung eines Frequenzumrichters verlegt, sind die Impulse kapazitiv gekoppelt und die 24 V schwingen im Pulsmuster des Frequenzumrichters.

Ein unzureichender oder gar nicht vorhandener Überspannungs-/Transientenschutz führt zu Fehlfunktionen durch elektrische Beschädigung des DC/DC-Wandlers und kann damit längere Anlagenausfälle und Kosten zur Folge haben. Für angemessene Annahmen und eine korrekte Berechnung ist eine normalisierte Transiente wie der in der Norm IEC 61000-4-5 beschriebenen Überspannungsstoß zu verwenden.

Filterkonzept

Bild 2 zeigt das gesamte Konzept eines Filters zur Erhöhung der Störfestigkeit (grün), das zwei Filterstufen umfasst. Eine Stufe klemmt die hohe transiente Überspannung während eines Überspannungsereignisses, was mit Bauteilen zur Transientenunterdrückung wie unidirektionalen TVS-Dioden erreicht werden kann. Für die zweite Stufe wird ein passives LC-Filter empfohlen, das die Spannungspegel dämpft, die die maximale Betriebsspannung des DC/DC-Wandlers überschreiten.

Der kritischste Parameter eines Schaltreglers, der für den Aufbau eines Transientenfilters benötigt wird, ist die Eingangsspannung. In vielen Fällen sind im Datenblatt zwei verschiedene Werte angegeben. Der eine ist die absolute maximale Eingangsspannung, deren Überschreitung zu einer dauerhaften Beschädigung des Schaltreglers führt. Der andere ist die maximale Betriebsspannung, die der maximal spezifizierten Eingangsspannung entspricht, die der Hersteller des Schaltreglers für den Betrieb erlaubt. Zum Schutz vor transienten Überspannungen wird empfohlen, das Immunitätsfilter so auszulegen, dass die Eingangsspannung des Moduls auch bei transienten Überspannungsereignissen niemals die maximale Betriebsspannung überschreitet. Für die weiteren Berechnungen wird hier als Beispiel eine absolute maximale Eingangsspannung von V_in = 44 V verwendet.

Entwurf des Störfestigkeitsfilters

In diesem Artikel wird eine unidirektionale Leistungs-Transienten-Spannungsunterdrückungsdiode (TVS) als Schutzelement für den Eingang des DC/DC-Moduls eingesetzt. Unidirektionales Betriebsverhalten bedeutet, dass die V-I-Charakteristik fast die gleiche ist wie die einer Zenerdiode. Daher wird die Diode normalerweise in Sperrrichtung verwendet.

Bei Überschreiten der spezifizierten Durchbruchspannung des Bauteils wird die TVS-Diode leitend. Die Höhe der Klemmspannung wird dann durch den Strom bestimmt, der durch das Bauelement fließt.

Das folgende Rechenbeispiel bietet eine vereinfachte, praktische Anleitung zur Erstellung eines gut dimensionierten Filters. Diese Filterabschätzung ermöglicht eine schnelle Verbesserung bei der Durchführung realer Anwendungstests.

Um einen geeigneten Entwurf auf der Grundlage einer TVS-Diode für den Transientenschutz des Schaltregler-Moduls zu erstellen, sind folgende Parameter erforderlich:

V_DC: Versorgungsspannung für das Power-Modul
V_BR: Spannung, bei der ein Strom von 1 mA durch die TVS-Diode fließt
I_Spitze: maximaler Spitzenstrom, der durch die TVS-Diode bei U_{Clamp max} fließt
P_Diss: maximal zulässige Verlustleistung für die TVS-Diode
V_{Clamp max}: Spannung, bei der der maximal spezifizierte Strom durch die Diode fließt