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Sicherer Betrieb

Transientenschutz für nichtisolierte DC/DC-Power-Module

26. Juni 2023, 11:39 Uhr | Von Timur Uludag, Senior Technical Marketing Manager bei Würth Elektronik eiSos im Geschäftsbereich MagI³C Power Modules

Bild 1: Im industriellen Umfeld versorgt typischerweise ein DC-Bus die einzelnen Elemente einer Anlage.

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. Für die Umwandlung der höheren Busspannungen auf den niedrigeren logischen Spannungspegel werden in der Regel schaltende DC/DC-Wandler eingesetzt.

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.

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.