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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 2

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-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

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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.