Sicherheit dank Überspannungsschutz
Transientenschutz für nichtisolierte DC/DC-Power-Module
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.
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Erste Stufe des Störfestigkeitsfilters
Bestimmung von VDC: Für VDC 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-VDC-Bus für 19,2 bis 30 V spezifiziert. Daraus folgt, dass der Maximalwert VDC = 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 VBR: VBR 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 VBR 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 VClamp max dargestellt.
Bestimmung von VClamp max: Dieser Wert lässt sich ebenfalls dem Datenblatt entnehmen. Für die gewählte Diode beträgt die Spannung 48,4 V bei einem Spitzenstrom ISpitze 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 VClamp max und die Impuls-Spitzenleistung sind stark von der Temperatur abhängig. Gleichung 1 zeigt den Temperatureinfluss auf VClamp max:
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 VClamp 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:
(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 VClamp max der TVS-Diode während des Überspannungsereignisses und die maximale Betriebsspannung VPM_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 (RDC) so unerwünschte Verluste verursacht. Daher sollte die Induktivität mit dem kleinstmöglichen RDC-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 RDC 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.
Mit den eingesetzten Werten wird der Eingangswiderstand so zu RPM = (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, Cf_E und Lf_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).
Mit dem zuvor berechneten Gleichstrom-Eingangswiderstand RPM in des DC/DC-Reglers kann mit Gleichung 5 der erforderliche Kondensatorwert ermittelt werden:
Dabei steht Lf für die Entstör-Filterdrossel, RPM für den Gleichstrom-Eingangswiderstand des Wandlers, Cin für den Eingangskondensator und Cf_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 Cfi = 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; Lf_I = 744776112; Cf_I = 860010775018
Der Einfluss der Temperatur auf VClamp max und damit auf den Wert des Filterkondensators ist in der Tabelle dargestellt.
| Umgebungstemperatur | VClamp 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 VClamp 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.
- Transientenschutz für nichtisolierte DC/DC-Power-Module
- Erste Stufe des Störfestigkeitsfilters