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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Erste Stufe des Störfestigkeitsfilters

Bestimmung von V_DC: Für V_DC ist der entscheidende Wert für die Störfestigkeit die maximale DC-Busspannung, die anliegen kann, nicht der Nennwert von z. B. 24 V. In der industriellen Umgebung ist ein 24-V_DC-Bus für 19,2 bis 30 V spezifiziert. Daraus folgt, dass der Maximalwert V_DC = 30 V ist.

Die Auswahl der TVS-Diode für die nächsten Berechnungsschritte basiert auf den im Online-Katalog von Würth Elektronik verfügbaren Bauteilen. Es gibt zwei mögliche Kandidaten, die 824541301 und die 824551301.

Bestimmung der V_BR: V_BR ist definiert als die Spannung, bei der ein Strom von 1 mA durch die TVS-Diode fließt. Dieser Wert, hier 35,05 V, ist in Wirklichkeit nicht exakt festgelegt, da es sich um einen PN-Übergang handelt und daher eine Toleranz besteht. Die Toleranz wird im Datenblatt mit ±5 Prozent angegeben. Daraus ergibt sich ein V_BR von 33,325 V bis 36,8025 V, in dem die Diode mit einem Strom von 1 mA zu leiten beginnt.

Es ist jedoch auch notwendig, den Wert zu kennen, bei dem die transiente Spannung geklemmt werden soll. Dies wird durch den Parameter V_{Clamp max} dargestellt.

Bestimmung von V_{Clamp max}: Dieser Wert lässt sich ebenfalls dem Datenblatt entnehmen. Für die gewählte Diode beträgt die Spannung 48,4 V bei einem Spitzenstrom I_Spitze von 31 A, was einem 10/1000-μs-Impuls entspricht.

Bislang wurde bei den Berechnungen von einer idealen Laborumgebung mit einer kontrollierten Umgebungstemperatur von 25 °C ausgegangen. Die Realität sieht jedoch anders aus. Umgebungstemperaturen von bis zu 55 °C sind für elektronische Bauteile wie eine TVS-Diode üblich. Daher muss die Berechnung um einen Temperaturfaktor ergänzt werden.

Vor allem V_{Clamp max} und die Impuls-Spitzenleistung sind stark von der Temperatur abhängig. Gleichung 1 zeigt den Temperatureinfluss auf V_Clamp max:

$V subscript C l a m p space m a x end subscript left parenthesis T subscript j right parenthesis equals V subscript C l a m p space m a x end subscript left parenthesis 25 degree C right parenthesis asterisk times left parenthesis 1 plus alpha T asterisk times left parenthesis T subscript j minus 25 degree C right parenthesis right parenthesis space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis$

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Für den »Standby-Fall«, in dem mit Ausnahme eines Leckstroms von 1 μA fast kein Strom durch die TVS-Diode fließt, entspricht die Sperrschichttemperatur (Tj) fast der Umgebungstemperatur. Geht man von einem Temperaturkoeffizienten αT für diesen TVS-Typ von 9,9 · 10–4/°C aus, so ergibt sich eine maximale Klemmspannung V_{Clamp max} von 49,84 V bei 55 °C. Dieser Wert ist der Ausgangspunkt für die Dimensionierung der zweiten Stufe des Filters.

Zweite Stufe des Störfestigkeitsfilters

Die Frage ist nun, wie man die richtige Filterdämpfung abschätzen kann und wie man die besten Werte für die Filterbauteile erhält. Ausgehend von der Dämpfung lässt sich die minimale Filterdämpfung mit Gleichung 2 berechnen:

$straight G equals 20 times log space open parentheses straight V subscript PM subscript Max end subscript over straight V subscript Clamp space max end subscript close parentheses comma space space space space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis$

$straight G equals 20 times log space open parentheses fraction numerator 44 V over denominator 49 comma 84 straight V end fraction close parentheses equals negative 1 comma 08 d B space space space$
(Anstelle des Symbols A für Dämpfung wird hier das Formelzeichen G (Verstärkung) verwendet. Eine negative Verstärkung bedeutet eine Abschwächung.
Daraus ergibt sich mit den obigen Werten eine Verstärkung G von 20·log(44 V/49,84 V) = –1,08 dB.)

Gleichung 2 berücksichtigt die resultierende Klemmspannung V_{Clamp max} der TVS-Diode während des Überspannungsereignisses und die maximale Betriebsspannung V_{PM_max} des gewählten Wandlers. Die Aufgabe besteht darin, das Filter gemäß Bild 3 zu entwerfen, wobei der TVS-Diode ein LC-Filter angefügt wird. Der Entwickler kann, um einen entsprechenden Filterkondensator zu berechnen, den Wert der Induktivität wählen.

Der Grund dafür ist, dass die Filterinduktivität in Reihe mit der Anwendung liegt und ihr Widerstand (R_DC) so unerwünschte Verluste verursacht. Daher sollte die Induktivität mit dem kleinstmöglichen R_DC-Wert unter Berücksichtigung des maximalen nominellen Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers gewählt werden. Für diesen beispielhaften Filterentwurf wurde eine WE-PD2 (744776112) mit einer Induktivität von 12 μH, einem R_DC von 336 mΩ und einem Nennstrom von 2,72 A gewählt.

Der DC-Eingangswiderstand des Power-Moduls kann mit der gegebenen Eingangs- und Ausgangsspannung, dem Ausgangsstrom sowie dem Wirkungsgrad im Betrieb bestimmt werden. Trägt man diese Parameter zusammen, lässt sich für den Eingangswiderstand des DC/DC-Wandlers Gleichung 3 erstellen.

$straight R subscript PM equals fraction numerator straight V subscript in superscript 2 over denominator begin display style fraction numerator straight V subscript Out times straight I subscript Out over denominator straight eta end fraction end style end fraction equals fraction numerator straight V subscript in superscript 2 over denominator straight P subscript in end fraction comma space space space space left parenthesis 3 right parenthesis space space space space$

$R subscript P M end subscript equals fraction numerator left parenthesis 24 V right parenthesis squared over denominator begin display style fraction numerator 5 V asterisk times 1 A over denominator 0.88 end fraction end style end fraction equals 101 straight capital omega space space space space$

Mit den eingesetzten Werten wird der Eingangswiderstand so zu R_PM = (24 V)2/ (5 V · 1 A / 0,88) = 101 Ω

Bild 3 zeigt die Ersatzschaltung, in der die TVS-Diode vereinfacht als Spannungsquelle bei Überspannungsimpulsen dargestellt ist. Der verbleibende Teil der Schaltung für das EMV-Modell besteht aus zwei LC-Filtern für Störfestigkeit (Überspannungsschutz) und Emission (EMV-Dämpfung), dem Eingangskondensator des DC/DC-Wandlers und dem Eingangswiderstand des Reglers.

Da es sich um eine Innenraumanwendung handelt und somit nur eine indirekte Überspannungs-einkopplung vorliegt, basieren die folgenden Annahmen und Berechnungen auf einem 8/20-μs-Impuls.

Zur weiteren Vereinfachung ist es möglich, C_{f_E} und L_{f_E} wegzulassen, da dieses Filter zur Unterdrückung von Störungen bei der Schaltfrequenz des DC/DC-Reglermoduls ausgelegt ist (Bild 4). Das Power-Modul schaltet typischerweise mit 520 kHz.

Um die Dämpfung G des Filters zu berechnen, ist es notwendig, die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung des Systems zu vergleichen (Gleichung 4).

$V subscript n o i s e end subscript over V subscript C I end subscript space equals space fraction numerator begin display style fraction numerator 1 over denominator Y subscript C f end subscript plus Y subscript C i n end subscript plus Y subscript R P M end subscript end fraction end style over denominator Z subscript L f end subscript plus open parentheses begin display style fraction numerator 1 over denominator Y subscript C f end subscript plus Y subscript C i n end subscript plus Y subscript R P M end subscript end fraction end style close parentheses end fraction G equals 20 times log space open parentheses open vertical bar table row V end table subscript n o i s e end subscript over V subscript C I end subscript close vertical bar close parentheses G subscript i m m u n i t y subscript f i l t e r end subscript end subscript equals 20 times log open parentheses open vertical bar 1 minus omega squared L subscript f open parentheses C subscript f plus C subscript i n end subscript close parentheses plus j omega L subscript f over R subscript P M end subscript close vertical bar close parentheses comma space space space space space space left parenthesis 4 right parenthesis space space$

Mit dem zuvor berechneten Gleichstrom-Eingangswiderstand R_{PM in} des DC/DC-Reglers kann mit Gleichung 5 der erforderliche Kondensatorwert ermittelt werden:

$C subscript f equals fraction numerator 1 minus open parentheses 10 to the power of begin display style G over 10 end style end exponent minus open parentheses omega begin display style L subscript f over R subscript P M end subscript end style close parentheses squared close parentheses to the power of begin display style 1 half end style end exponent over denominator omega squared times L subscript f end fraction minus left parenthesis C subscript i n end subscript plus C subscript f _ e m i s s i o n end subscript right parenthesis comma space space space space left parenthesis 5 right parenthesis$
Dabei steht L_f für die Entstör-Filterdrossel, R_PM für den Gleichstrom-Eingangswiderstand des Wandlers, C_in für den Eingangskondensator und C_{f_emission} für den EMI-Filterkondensator einer Eingangs-Pi-Filterstruktur. Die Werte können dem Datenblatt des 173010535 entnommen werden. Daher wird dieser Frequenzwert für die Worst-Case-Berechnung verwendet. Unter der Annahme, dass eine Induktivität von 12 μH eingesetzt wird, wäre das Berechnungsergebnis für den Filterkondensator C_fi = 218 μF. Für den Kondensator wurde der Standardwert von 220 μF (860010775018) gewählt, da dieser größer ist als der berechnete Wert.

Ein Wert unter der berechneten Kapazität würde keine ausreichende Dämpfung des Filters gewährleisten. Die gewählten Bauteile (von Würth Elektronik) des Filters sind also wie folgt:

TVS-Diode = 824541301; L_{f_I} = 744776112; C_{f_I} = 860010775018

Der Einfluss der Temperatur auf V_{Clamp max} und damit auf den Wert des Filterkondensators ist in der Tabelle dargestellt.

Umgebungstemperatur	V_{Clamp max}	Filterkondensator
25 °C	48,4 V	178 μF
55 °C	49,84 V	218 μF

Die Kondensatorwerte sind zwar berechnet, doch der reale Kondensator unterliegt Toleranzen von bis zu ±20 Prozent. Wenn die Temperaturabhängigkeit von V_{Clamp max} nicht vollständig berücksichtigt wird, könnte es passieren, dass ein Kondensator mit einer zu niedrigen Kapazität eingesetzt wird.

Transientenschutz und EMV

Um ein effizientes Filter zur Begrenzung transienter Überspannungen zu entwickeln, müssen viele Einflussparameter berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig in einer industriellen Umgebung, da hier aufgrund der umfangreichen elektrischen Infrastruktur häufig transiente Überspannungen auftreten.

Das Filter mit Transientenschutz ermöglicht einen effizienten Schutz des DC/DC-Wandlermoduls und bewirkt gleichzeitig eine Dämpfung der hochfrequenten Emissionen.

Autor

Timur Uludag erwarb seinen Dipl.-Ing. (FH) in Mechatronik an der Fachhochschule Regensburg. Anschließend arbeitete er mehrere Jahre als Hardware-Ingenieur im Bereich Schaltnetzteile und analoges Schaltungsdesign. Seit 2015 ist Timur Senior Technical Marketing Manager bei Würth Elektronik eiSos im Geschäftsbereich MagI³C Power Modules. Dort ist er auf die Roadmap-Planung und die Markteinführung neuer Power-Module spezialisiert.