Power-Tipp 54

Snubber-Schaltung für den primärseitigen Schalter eines Sperrwandlers

  • Die Spannungsbelastung des MOSFET muss auf ein akzeptables Maß begrenzt werden.
  • Die Streuinduktivität muss möglichst zügig entladen werden, um den Wirkungsgrad hoch zu halten (siehe Power-Tipp 17).
  • Das Hinzufügen des Snubber-Glieds darf die Schaltungsverluste nur minimal erhöhen.
  • Auswirkungen auf das dynamische Verhalten des Netzteils sind zu vermeiden

Die kostengünstigste Möglichkeit, die soeben aufgezählten Vorgaben zu verwirklichen, sind in Bild 1 von Tipp 17 dargestellt. Implementiert ist diese Lösung mit einer Freilaufdiode, einem Kondensator und einem Belastungswiderstand. Ihre Funktionsweise basiert darauf, dass überschüssige Energie aus der Streuinduktivität des Übertragers in den Snubber-Kondensator geleitet und im Verlauf der Schaltperiode abgebaut wird. Nachteilig an dieser Methode ist, dass im Snubber-Widerstand unabhängig von der Ausgangsleistung immer eine gewisse Energiemenge in Wärme verwandelt wird. Außerdem wird die am Kondensator liegende Spannung in jedem Schaltzyklus mindestens auf das Niveau der reflektierten Ausgangsspannung angehoben. Dies aber geht zu Lasten des Wirkungsgrads – besonders bei geringer Ausgangsleistung.

Bild 1: Diese FET-Klemmschaltung überzeugt durch einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Ausgangsleistungen  (Bild: TI) Bild 1: Diese FET-Klemmschaltung überzeugt durch einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Ausgangsleistungen (Bild: TI)

Dass sich die Snubber-Schaltung auch anders realisieren lässt, zeigt Bild 1 des vorliegenden Power-Tipps. Die RC-Kombination der bisherigen Lösung wird hier durch einen Widerstand (R1) und eine Z-Diode (D1) ersetzt. Nach dem Abschalten des FET steigt die Drainspannung an, bis die Dioden leitend werden und die Streuinduktivität des Übertragers damit entladen. Die Entladerate hängt davon ab, wie groß die Differenz zwischen der reflektierten Ausgangsspannung und der Zenerspannung ist. Wie schon im Power-Tipp 17 ausgeführt, kommt es im Interesse eines möglichst hohen Wirkungsgrads darauf an, die Energie aus der Streuinduktivität so schnell wie möglich abzubauen. Bei der Festlegung der Werte müssen zunächst die Spannungsfestigkeit des MOSFET und etwaige Derating-Kriterien berücksichtigt werden, um die maximal zulässige Spannungsbelastung des MOSFET zu ermitteln. Grundsätzlich gilt, dass die Zenerspannung größer als die reflektierte Ausgangsspannung sein muss, damit die Z-Diode nicht mehr leitet, nachdem die Streuinduktivität entladen ist. Anschließend muss die Kombination aus dem Widerstand und der Z-Diode so dimensioniert werden, dass die maximale Spannungsbelastung des MOSFET bei der größten Eingangsspannung und der maximalen Stromstärke nicht überschritten wird.

Bild 2: Eine hohe Zenerspannung bewirkt ein schnelles Entladen der Streuinduktivität und verbessert den Wirkungsgrad.  (Bild: TI) Bild 2: Eine hohe Zenerspannung bewirkt ein schnelles Entladen der Streuinduktivität und verbessert den Wirkungsgrad. (Bild: TI)

Als nächstes muss die Schwingneigung der Schaltung gegen den Wirkungsgrad abgewogen werden. Für das Oszillogramm in Bild 2 wurde der Widerstand R1 kurzgeschlossen. Somit entscheidet allein die Z-Diode über die Spannungsbelastung des MOSFET. Wie man sieht, schnellt die Drainspannung nach dem Abschalten nach oben, und die Streuinduktivität wird bei konstanter Spannung entladen.

Dies sorgt für ein unerreicht schnelles Entladen und ergibt den besten Wirkungsgrad. Ist der Entladevorgang jedoch beendet, oszilliert die Drainspannung um einen Wert, der der Summe aus der reflektierten Ausgangsspannung und der Eingangsspannung entspricht. Dieser Effekt zieht verschiedene Probleme nach sich. Eines davon sind die elektromagnetischen Interferenzen, denn die mit 4 MHz oszillierende Spannung erzeugt Gleichtaktströme im Übertrager und macht ein aufwändigeres Netzfilter erforderlich.

Das zweite Problem hat mit der Wahl des Controller-Bausteins zu tun. Viele Controller-ICs verzichten nämlich auf eine Messung der sekundärseitigen Spannung und nutzen stattdessen die Spannung an der Primärwicklung, um auf die Ausgangsspannung zu schließen. Mit einem solchen Controller würden die beschriebenen Schwingungen die Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung beeinträchtigen.

Bild 3: Die elektromagnetischen Interferenzen werden durch den Serienwiderstand reduziert.  (Bild: TI) Bild 3: Die elektromagnetischen Interferenzen werden durch den Serienwiderstand reduziert. (Bild: TI)

Wenn die Oszillationen ein Problem darstellen, muss die Zenerspannung herabgesetzt werden, und zwar fast bis auf den Wert der reflektierten Ausgangsspannung. Anschließend fügt man einen Serienwiderstand hinzu, um die maximale Drainspannung anzuheben. Der Effekt ist in Bild 3 deutlich zu sehen. Das Oszillogramm wurde mit der Schaltung aus Bild 1 aufgenommen. Während die Drainspannung gelb dargestellt ist, gibt die rote Kurve die Spannung am Verbindungspunkt von D3 und R1 wieder. Die Differenz zwischen beiden Spannungen ist proportional zum Strom in der Streuinduktivität. Die Drainspannung beginnt auf einem hohen Wert, was die Spannungsdifferenz reduziert und den Streuinduktivitäts-Strom auf null drückt.

Wenn also die Diode abschaltet, besteht nur eine geringe Differenz zwischen der Drainspannung und der reflektierten Ausgangsspannung, sodass nur minimale Oszillationen auftreten. Leider beeinträchtigt diese Methode den Wirkungsgrad, im vorliegenden Fall um etwa 2 %. Bereits in Tipp 17 fand sich die eindeutige Aussage, dass der Wirkungsgrad umso niedriger wird, je länger das Entladen der Streuinduktivität dauert. In Bild 2 ist eine Entladezeit von 70 ns abzulesen, während es in Bild 3 160 ns sind.

Insgesamt sind RCD-Klemmschaltungen als die einfachste Möglichkeit anzusehen, einen Snubber für einen Sperrwandler zu realisieren. Nachteilig hieran ist die Tatsache, dass die Verlustleistung in dieser Schaltung den Wirkungsgrad im Kleinlastbereich beeinträchtigt. Wenn dies nicht hinnehmbar ist, kann die beschriebene Snubber-Schaltung mit Z-Diode in Frage kommen, in der nur bei Bedarf Verlustleistung abfällt. Den besten Wirkungsgrad erzielt man zweifellos mit einer abrupt ansprechenden Z-Diode, die dafür aber unerwünschte Oszillationen hervorrufen kann. Der beste Kompromiss ist es möglicherweise, die Zenerspannung niedriger zu wählen und einen Widerstand mit der Z-Diode in Reihe zu schalten.

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