Durchflusswandler mit Snubbern beschalten

 Bild 1: Die Streuinduktivität verlangsamt das Abschalten von D2 Bild 1: Die Streuinduktivität verlangsamt das Abschalten von D2

Bild 1 zeigt die Leistungsstufe eines Durchflusswandlers. Dieser Wandler arbeitet mit einem Transformator, der die Eingangsspannung in den Sekundärkreis induziert, wo sie gleichgerichtet und gefiltert wird. Ein Snubberglied wird häufig benötigt, wenn D2 gezwungen wird, durch einen Kreis mit niedriger Induktivität, der aus der reflektierten Primärspannung und der Streuinduktivität des Transformators gebildet wird, in den Aus-Zustand umzuschalten.

D2 kann beispielsweise eine p-n-Siliziumdiode mit einer Sperrverzögerungsladung sein, die abgebaut werden muss, bevor die Diode abschaltet. Hierdurch baut sich ein Überstrom in der Streuinduktivität auf, der zu hochfrequentem Nachschwingen und einer Spannungsüberhöhung an der Diode führt. Eine ähnliche Situation ergibt sich bei Schottky-Dioden wegen ihrer größeren Sperrschichtkapazität und selbst bei Synchrongleichrichtern wegen ihrer Abschaltverzögerungszeiten.

 Bild 2: D2 verursacht übermäßiges Nachschwingen beim Abschalten Bild 2: D2 verursacht übermäßiges Nachschwingen beim Abschalten

Bild 2 zeigt einige Signalverläufe in der Schaltung. Die obere Kurve ist die Drain-Spannung von Q1, die mittlere ist die Spannung an der Verbindung von D1 und D2, und die untere ist der Strom durch D1. In der oberen Kurve ist zu sehen, dass beim Einschalten von Q1 die Drain-Spannung unter die Eingangsspannung sinkt, so dass der Strom durch die Diode D1 steigt.

Wenn in D2 keine Sperrverzögerungsladung vorhanden wäre, würde die Sperrschichtspannung steigen, sobald der Strom durch D1 ebenso groß wie der Ausgangsstrom ist. Da sie aber eine Sperrverzögerungsladung hat, steigt der Strom durch D1 weiter und beginnt mit dem Abbauen der Ladung.

Ist die Ladung abgebaut, so schaltet die Diode aus und bewirkt, dass die erhöhte Sperrschichtspannung steigt. Zu beachten ist, dass der Strom so lange zunimmt, bis die Sperrschichtspannung ebenso groß wie die reflektierte Eingangsspannung ist, weil über der Streuinduktivität eine positive Spannung liegt. Während sie steigt, lädt dieser Strom parasitäre Kapazitäten auf, was zu weiterem Nachschwingen und zusätzlichen Verlusten in der Schaltung führt.

 Gleichung 1 Gleichung 1

Diese Nachschwingsignale sind in vielen Fällen inakzeptabel, da sie ein Störungen hervorrufen oder die Diode mit inakzeptablen Überspannungen beaufschlagen können. Ein RC-Snubberglied über D2 kann dieses Nachschwingen wesentlich dämpfen, ohne dass der Wirkungsgrad nennenswert darunter leidet. Die Nachschwingfrequenz lässt sich mit Hilfe von Gleichung 1 ermitteln.

Woher aber bekommen Sie die Werte von L und C in Ihrer Schaltung? Der Trick besteht darin, die Nachschwingfrequenz durch Hinzufügen einer bekannten Kapazität über D2 zu senken – dann haben Sie zwei Gleichungen und zwei Unbekannte. Sie können sich das Leben sogar noch leichter machen, wenn Sie die zusätzliche Kapazität nur gerade so groß machen, dass sich die Nachschwingfrequenz halbiert. Bei der halben Frequenz benötigen Sie eine Gesamtkapazität, die gleich dem Vierfachen der parasitären Anfangskapazität ist. Anschließend brauchen Sie nur die zusätzliche Kapazität durch 3 zu dividieren, um die parasitäre Kapazität zu bestimmen.

 Bild 3: Ein Verdoppeln der Nachschwingfrequenz ermöglicht die Berechnung der parasitären Elemente Bild 3: Ein Verdoppeln der Nachschwingfrequenz ermöglicht die Berechnung der parasitären Elemente

Bild 3 zeigt nochmals die Signalverläufe, nun jedoch mit 470 pF über D2 und bei der Hälfte der ursprünglichen Nachschwingfrequenz. Somit beträgt die parasitäre Kapazität der Schaltung etwa 150 pF. Das bloße Hinzufügen einer Kapazität hat auf die Nachschwingamplitude wenig Einfluss.

Die Schaltung erfordert vielmehr einen bestimmten Widerstand um das Nachschwingen zu dämpfen. Auch deshalb ist der Faktor 3 beim Kondensator für den Anfang ein guter Wert. Bei richtiger Wahl des Widerstandwertes stellt sich ein gutes Dämpfungsverhalten mit minimalen Einbußen beim Wirkungsgrad ein. Der optimale Wert für den Dämpfungswiderstand ist fast gleich dem Wellenwiderstand der parasitären Elemente (Gleichung 2).

 

 Gleichung 2 Gleichung 2

Unter Rückgriff auf Gleichung 1 errechnet sich bei einer Nachschwingfrequenz von 35 MHz und einer parasitären Kapazität von 150 pF die Streuinduktivität zu 150 nH. Setzt man 150 nH in Gleichung 2 ein, ergibt sich für den Widerstand des Snubberglieds ein Wert von ca. 30 Ohm.

 

 Bild 4: Durch geeignete Wahl des Dämpfungswiderstands lässt sich das Nachschwingen praktisch eliminieren Bild 4: Durch geeignete Wahl des Dämpfungswiderstands lässt sich das Nachschwingen praktisch eliminieren

Bild 4 veranschaulicht, wie sich die Hinzunahme des Dämpfungswiderstands auswirkt. Das Nachschwingen ist praktisch eliminiert, und die Überspannung hat sich von 60 auf 40 V verringert. Somit kann eine Diode mit niedrigerer Nennspannung gewählt werden, was die Effizienz verbessert. Der letzte Schritt dieses Prozesses besteht in der Berechnung der Verluste im Dämpfungswiderstand.

 

 

 

 Gleichung 3 Gleichung 3

Dies erfolgt durch Auflösen von Gleichung 3, in der f die Betriebsfrequenz ist.Nach der Berechnung müssen Sie noch entscheiden, ob die Schaltung die Verluste in der Snubber-Beschaltung verkraftet. Wenn nicht, geht es darum, einen Kompromiss zwischen dem Nachschwingen und den Snubber-Verlusten zu finden. Wie Sie den optimalen Dämpfungswiderstand ermitteln, haben wir bereits im Power-Tipp Nr. 4 (siehe dort Bild 3) erörtert.

Zusammengefasst ist die Beschaltung eines Durchflusswandlers mit einem Snubberglied ein simpler Vorgang:

1) Hinzufügen der Kapazität, die eine Halbierung der Nachschwingfrequenz bewirkt.

2) Berechnen der parasitären Kapazität und Induktivität.

3) Berechnen des Dämpfungswiderstands.

4) Ermitteln, ob die in der Schaltung entstehenden Verluste akzeptabel sind.

Der nächste Tipp beschäftigt sich mit weiteren Snubber-Bauelementen für Stromversorgungen.

Literatur

[1] Middlebrook, R. D.; Cuk, S.: „Advances in Switched-Mode Power Conversion“, Bd. I und II, 2. Auflage, TESLAco, 1983, 533 Seiten. Erhältlich bei TESLAco, 10 Mauchly, Irvine, CA 92718, Tel. +1 (714) 727-1960. (Erste Auflage C 1981.)

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

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