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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 3

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:

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(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 (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 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.

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, 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 R_PM des DC/DC-Reglers kann mit Gleichung 5 der erforderliche Kondensatorwert ermittelt werden: