Die Auswirkungen transienter Spannungsspitzen und Überspannungen auf elektronische Schaltkreise sind unterschiedlich und reichen von lästigen geringfügigen Fehlern bis hin zu katastrophalen Folgen, die zu Schäden an Schaltkreiskomponenten führen können. Die Ursachen für solche vorübergehenden Phänomene sind vielfältig, darunter Blitzschlag, statische Elektrizität und induzierte Entladung (Abbildung 1).
Abbildung 1: Transienten können durch Blitzschlag, statische Elektrizität oder induzierte Entladung verursacht werden und ungeschützte elektronische Geräte schwer beschädigen. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)
Solche Transienten können Impulse mit Spitzenspannungen im Bereich von Hunderten von Volt bis zu Zehntausenden von Volt und Strömen im Kiloampere-Bereich erzeugen, deren Dauer von Hunderten von Nanosekunden bis zu Millisekunden reicht.
Die Miniaturisierung von ICs und Prozessoren sowie die Verringerung der Versorgungsspannung machen sie empfindlicher gegenüber elektrischen Transienten. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge, die von mehreren elektronischen Systemen gesteuert werden, darunter Motor, Lenkung, Bremse, Klimaanlage und Unterhaltung.
Um empfindliche Schaltkreise zu schützen, wurden verschiedene Designstrategien entwickelt, darunter abgeschirmte Verkabelung, Filter, Lichtbogenunterdrückung und Klemmvorrichtungen. Abschirmung und Filterung übernehmen ein passives Design, während Lichtbogenunterdrückung und Klemmschutz aktive Mechanismen übernehmen. Funkenstrecken, Gasentladungsröhren, Thyristoren und andere Lichtbogenlöschgeräte leiten Übergangsströme zur Erde ab, um den Stromkreis zu schützen. Wenn sich das Lichtbogenlöschgerät im aktiven Zustand befindet, funktioniert das geschützte Gerät nicht, aber sobald der Übergang verschwindet, kann das Gerät normal arbeiten.
Zu den Klemmgeräten gehören Metalloxid-Varistoren (MOVs), Zener-Dioden und Lawinendioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS), die durch Änderung der Impedanz eine konstante Spannung über dem geschützten Gerät aufrechterhalten. Diese Technologien können einzeln oder gleichzeitig eingesetzt werden. TVS-Dioden werden aufgrund ihrer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und hohen Verlustleistung häufig als Klemmvorrichtungen verwendet.
Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen
Die TVS-Diode ist eine Lawinendiode, die als Klemmvorrichtung verwendet wird. Wenn die angelegte Spannung ihre Lawinendurchbruchspannung überschreitet, leitet sie überschüssigen Strom ab und hält oder klemmt die Spannung auf einem konstanten Potential. Wenn die angelegte Spannung niedriger als der Durchbruchwert ist, wird sie automatisch zurückgesetzt.
TVS-Dioden können als unidirektionale Geräte verwendet werden, um unipolare Transienten zu verhindern, sowie als bidirektionale Geräte, um Transienten beliebiger Polarität zu verhindern (Abbildung 2). Bidirektionale Geräte können symmetrisch sein und in der Lage sein, Spannungen jeder Polarität mit der gleichen Amplitude zu klemmen, oder asymmetrisch sein und in der Lage sein, unterschiedliche Spannungsniveaus basierend auf der Polarität von Transienten zu klemmen.
Abbildung 2: Aktuelle Spannungsdurchbruchseigenschaften und schematische Symbole von drei TVS-Geräten. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)
Das Funktionsprinzip einer unidirektionalen TVS-Diode ähnelt dem einer einfachen Diode. Sie leitet, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, und leitet nicht, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist, bis sie die Durchbruchspannung (VBR) der Diode überschreitet. Wenn die angelegte Spannung VBR überschreitet, leitet die Diode und hält die Spannung an ihren Anschlüssen auf der Klemmspannung (VC). Die maximale Leistung, die diese Diode ableiten kann, ist der Spitzenimpulsstrom (IPP) x VC.
Eine bidirektionale TVS-Diode entspricht zwei Back-to-Back-Dioden. Wenn die Durchbruchspannung (VBR) in keiner Richtung überschritten wird, fließt nur ein kleiner Sperrableitstrom (IR). Dieser Vorgang ist symmetrisch, da die Amplituden der Durchbruchspannung unter den beiden Vorspannungsbedingungen gleich sind.
Die Funktion asymmetrischer TVS-Dioden ähnelt der bidirektionaler Geräte, ihre Durchbruchspannungen (VBR1 und VBR2) sind jedoch unterschiedlich.
Asymmetrische TVS-Diode
Sie fragen sich vielleicht, warum asymmetrische TVS-Dioden benötigt werden. Diese Komponenten dienen zum Schutz der Gate-Treiber auf Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC). Aufgrund der schnellen Schaltgeschwindigkeit von SiC sind diese Treiber anfällig für Schäden durch Überspannungstransienten. Werfen wir einen Blick auf den SiC-MOSFET oder Traktionswechselrichter, der zum Laden von Autos verwendet wird (Abbildung 3).
Abbildung 3: Asymmetrisches TVS TPSMB1505CA zum Schutz von SiC-MOSFET-Switch-Gate-Treibern. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)
Das asymmetrische Littelfuse TPSMB1505CA TVS wird zum Schutz des Gate-Treibers von MOSFETs verwendet. Der Gate-Treiber hat zwei Zustände; Die Gate-Spannung liegt im eingeschalteten Zustand zwischen -5 und 10 V, während sie im ausgeschalteten Zustand unter -10 V liegt. Die Nenn-Durchbruchspannung zwischen Kathode (K) und Anode (A) des TPSMB1505CA beträgt 16,7 bis 18,5 V, und die maximale Klemmspannung beträgt 24,4 V. Der Ipp in dieser Richtung beträgt 24,6 A und die Dauer des transienten Impulses beträgt 10 bis 1000 ms.
Die Durchbruchspannung des TVS von A nach K beträgt 6,8 bis 7,4 V und die maximale Klemmspannung beträgt 11,5 V. Der Spitzenimpulsstrom in dieser Richtung beträgt 60 A und die Dauer des Übergangsimpulses beträgt ebenfalls 10 bis 1000 ms. Es ist erwähnenswert, dass dies nur durch eine einzige Komponente erreicht werden kann. Wenn unabhängige Komponenten verwendet werden, um diesen asymmetrischen Arbeitsmodus zu erreichen, müssen mehrere Komponenten zusammenarbeiten.
Die asymmetrische TVS-Diode der Serie TPSMB von Littelfuse (Abbildung 4) umfasst zwei zusätzliche Komponenten mit unterschiedlichen K-zu-A-Durchbruchspannungen. Der TPSMB1805CA bietet einen K-zu-A-Durchbruchspannungsbereich von 20,0 bis 21,1 V mit einer maximalen Klemmspannung von 29,2 V. Der Nenn-Ipp beträgt 20,6 A und die Impulsdauer beträgt 10 bis 1000 ms. Der Durchbruchspannungsbereich von A bis K ist der gleiche wie beim TPSMB1505CA (6,8 bis 7,4 V).