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Power-Tipps von TI, Teil 17 Beschaltung von Sperrwandlern mit Snubbern

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Beim letzten Mal haben wir uns angesehen, wie sich Spannungsspitzen am Ausgang von Gleichrichtern bei einem Einschaltvorgang im Durchflusswandler bedämpfen lassen. Heute wollen wir uns mit der Unterdrückung von Transienten beschäftigen, die beim Ausschalten der FET-Spannung im Sperrwandler entstehen

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Robert Kollmann präsentiert den 17. Teil seiner Powertipps.
Robert Kollmann präsentiert den 17. Teil seiner Powertipps.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 1 zeigt die Leistungsstufe des Sperrwandlers und den zeitlichen Verlauf der primären MOSFET-Spannung. Dieser Wandler speichert Energie in der primärseitigen Induktivität eines Transformators und gibt diese Energie beim Ausschalten des MOSFETs an die sekundärseitige Induktivität ab. Beim Abschalten des MOSFET steigt, aufgrund der Streuinduktivität des Transformators und durch die reflektierte Ausgangsspannung (Vreset), die Drain-Source Spannung stark an.

Bild 1: Die Streuinduktivität erzeugt eine Überspannung beim Abschalten des MOSFET
Bild 1: Die Streuinduktivität erzeugt eine Überspannung beim Abschalten des MOSFET
(Bild: Texas Instruments)

Da die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie im MOSFET einen Avalanche-Effekt auslösen kann, ist die Snubberschaltung aus D1, R24 und C6 zur Spannungsbegrenzung vorgesehen. Die Begrenzungsspannung dieser Schaltung ist durch den Energiebetrag in der Streuinduktivität und die im Widerstand umgesetzte Verlustleistung festgelegt. Ein Widerstand mit einem niedrigeren Wert setzt die Begrenzungsspannung herab, bewirkt aber eine erhöhte Verlustleistung.

Bild 2: Die Streuinduktivität senkt die abgegebene Energie
Bild 2: Die Streuinduktivität senkt die abgegebene Energie
(Bild: Texas Instruments)

Bild 2 zeigt die Verläufe der Ströme auf der Primär- und der Sekundärseite des Transformators. Links ist das vereinfachte Schaltbild der Leistungsstufe zu sehen, wenn der MOSFET den Zustand „Ein“ hat. Der Eingangsstrom läuft über die Serienschaltung aus Streu- und Gegeninduktivität hoch. Die Schaltung rechts zeigt das vereinfachte Schaltbild während der „Aus“-Periode des MOSFETs. Hier hat sich die Spannung bis zu dem Punkt umgekehrt, an dem die Ausgangsdiode und die Begrenzungsdiode in Durchlassrichtung arbeiten. Dargestellt sind der Ausgangskondensator und die Diode, wie sie gegenüber der Primärseite des Transformators erscheinen.

Die beiden Induktivitäten liegen in Serie und führen beim Ausschalten von Q1 zunächst denselben Strom. Somit fließt unmittelbar nach dem Ausschalten kein Strom durch die Ausgangsdiode D2, während der Transformator-Gesamtstrom durch D1 fließt. Die Spannung über der Streuinduktivität ist gleich der Differenz zwischen der Begrenzungs- und der Reset-Spannung und hat die Tendenz, die Streuinduktivität rasch zu entladen. Wie das Bild 2 zeigt, lässt sich einfach berechnen, wie viel Energie in den Snubber-Kondensator verlagert wird. Daraus ergibt sich, dass die verlagerte Energie verringert wird, wenn man die Zeit verkürzt, die zum Entladen der Energie in der Streuinduktivität benötigt wird. Erreichen lässt sich dies, indem man eine Erhöhung der Begrenzungsspannung zulässt.

Interessant ist, dass man den Ausgleichswert zwischen der Begrenzungsspannung und der im Snubber-Netzwerk umgesetzten Verlustleistung berechnen kann. Wie aus Bild 2 zu ersehen, ist dies die Leistung, die der Begrenzungsschaltung zugeführt wird, gleich dem mittleren Strom durch die Klemmdiode, multipliziert mit der (als konstant vorausgesetzten) Begrenzungsspannung. Nach dem Umstellen einiger Ausdrücke ergibt sich der Term ½ * F *L * I2, der die Ausgangsleistung eines diskontinuierlichen Sperrwandlers angibt. Die Induktivität in diesem Term ist die Streuinduktivität. Ein wenig überraschend ist der Ausdruck insofern, als die Verlustleistung nicht nur der in der Streuinduktivität gespeicherten Energie entspricht. Sie ist stets größer, was aber von der Begrenzungsspannung abhängt.

Bild 3: Bei Erhöhung der Begrenzungsspannung verringern sich die Snubber-Verluste
Bild 3: Bei Erhöhung der Begrenzungsspannung verringern sich die Snubber-Verluste
(Bild: Texas Instruments)

Bild 3 veranschaulicht diesen Zusammenhang. Die Kurve zeigt die Abhängigkeit der auf den Energieverlust in der Streuinduktivität normierten Verluste vom Verhältnis zwischen der Begrenzungs- und der Reset-Spannung. Zu hohen Begrenzungsspannungswerten hin nähert sich der Snubber-Verlust der Energie in der Streuinduktivität. Je weiter die Begrenzungsspannung durch Verkleinern des Widerstands gesenkt wird, desto mehr Energie wird der Gesamtausgangsleistung entzogen, wobei die Snubber-Verlustleistung dramatisch steigt. Bei einem Vclamp/Vreset-Verhältnis von 1,5 beträgt sie fast das Dreifache der Verluste aufgrund der in der Streuinduktivität gespeicherten Energie.

Zufälligerweise liegt die Streuinduktivität häufig in der Größenordnung von einem Prozent der Hauptinduktivität. Das erhöht den Aussagewert von Bild 3 noch zusätzlich: Sie liefert einen Hinweis, inwieweit das Senken der Begrenzungsspannung den Wirkungsgrad beeinflusst. Die Vertikalachse gibt dann den Wirkungsgradverlust an. Die Senkung des Begrenzungsverhältnisses von 2 auf 1,5 hat also eine Wirkungsgradänderung von einem Prozent zur Folge.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Streuinduktivität eines Sperrwandlers den Leistungsschalter mit inakzeptabel hohen Spannungsspitzen beaufschlagen kann. Ein RCD-Snubberglied kann diese Spitzen auf zulässige Werte begrenzen. Allerdings muss man dabei einen Kompromiss zwischen der Begrenzungsspannung und der in der Schaltung entstehenden Verlustleistung eingehen

Ich hoffe, Sie sind auch nächstes Mal wieder dabei, wenn wir uns die Genauigkeit von Spannungsteilern näher ansehen wollen.

* * Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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