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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

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 der Abwärtsregler 173010535 mit einer absoluten maximalen Eingangsspannung von Vin = 44 V verwendet.

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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
VBR: 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