Verwendung asymmetrischer TVS-Dioden zum Schutz kritischer Schaltkreise vor zerstörerischen Spannungsspitzen

Transiente Spannungsspitzen oder Überspannungen wirken sich auf verschiedene Weise auf elektronische Schaltungen aus, von lästig bis katastrophal. Diese Transienten können von Quellen wie Blitzen, elektrostatischen oder induktiven Entladungen herrühren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Transienten können durch Quellen wie Blitzschlag, elektrostatische oder induktive Entladungen entstehen und bei ungeschützter Elektronik verheerende Folgen haben. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Transienten wie diese können Impulse mit Spitzenspannungen von Hunderten bis Zehntausenden von Volt, Strömen im Kiloampere-Bereich und Zeitdauern von Hunderten von Nanosekunden bis Millisekunden erzeugen.

Die Miniaturisierung von ICs und Prozessoren und die geringeren Versorgungsspannungen haben die Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Transienten erhöht. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge, in denen mehrere elektronische Systeme alles steuern, einschließlich Motor, Lenkung, Bremsen, Klima und Unterhaltung.

Zum Schutz empfindlicher Schaltungen wurden verschiedene Designstrategien entwickelt, darunter abgeschirmte Leitungen, Filter, Überspannungsableiter und Klemmvorrichtungen. Abschirmung und Filterung erfolgen passiv, während Überspannungsableiter und Klemmschutz aktive Mechanismen verwenden. Überspannungsableiter wie Funkenstrecken, Gasentladungsröhren und Thyristoren leiten Transienten zur Erde ab, um Stromkreise zu schützen. Das geschützte Gerät funktioniert nicht, solange der Überspannungsableiter aktiv ist, ist aber wieder betriebsbereit, sobald die Überspannung abklingt.

Zu den Klemmvorrichtungen gehören Metalloxid-Varistoren (MOVs), Zener-Dioden und Avalanche-Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS), die durch Veränderung ihrer Impedanz eine konstante Spannung über der geschützten Komponente aufrechterhalten. Diese Techniken können entweder einzeln oder zusammen angewendet werden. TVS-Dioden werden aufgrund ihrer schnellen Ansprechzeit und hohen Verlustleistung gerne als Klemmvorrichtungen verwendet.

Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen

Die TVS-Diode ist eine Avalanche-Diode, die als Klemmvorrichtung fungiert, die überschüssigen Strom ableitet, wenn die angelegte Spannung ihre Avalanche-Durchbruchsspannung übersteigt, und die Spannung auf einem konstanten Potenzial hält. Sie setzt sich automatisch zurück, wenn die angelegte Spannung unter den Durchbruchwert fällt.

TVS-Dioden gibt es als unidirektionale Bauteile, die vor Transienten einer einzigen Polarität schützen, und als bidirektionale Bauteile, die vor Transienten beider Polaritäten schützen (Abbildung 2). Die bidirektionalen Komponenten können symmetrisch sein, d. h. sie klemmen die gleiche Spannungsamplitude beider Polaritäten, oder asymmetrisch, d. h. sie klemmen je nach Polarität der Transiente unterschiedliche Spannungspegel.

Abbildung 2: Dargestellt sind die Strom-Spannungs-Durchbruchscharakteristiken der drei Typen von TVS-Vorrichtungen und ihre schematischen Symbole. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Die unidirektionale TVS-Diode funktioniert wie eine einfache Diode, die in Durchlassrichtung leitet und in Sperrrichtung nicht leitet, bis die Durchbruchspannung (V_BR) der Diode überschritten wird. Wenn die angelegte Spannung V_BR übersteigt, leitet die Diode und hält die Spannung an ihr auf der Klemmspannung (V_C). Die Diode kann eine maximale Leistung von Impulsspitzenstrom (I_PP) x V_C abführen.

Die bidirektionale TVS-Diode wirkt wie zwei Dioden, die Rücken an Rücken angeordnet sind. Ein kleiner Rückwärtsleckstrom (I_R) fließt, bis die Durchbruchspannung (V_BR) in beiden Richtungen überschritten wird. Der Betrieb ist symmetrisch, da die Höhe der Durchbruchsspannung in beiden Vorspannungszuständen gleich ist.

Die asymmetrische TVS-Diode verhält sich wie die bidirektionale Komponente, nur dass die Durchbruchsspannungen (V_BR1 und V_BR2) unterschiedlich sind.

Die asymmetrische TVS-Diode

Sie fragen sich vielleicht, warum die asymmetrische TVS-Diode benötigt wird. Diese Komponenten wurden zum Schutz der Gate-Treiber von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) entwickelt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der SiC-Schalter sind diese Treiber anfällig für Schäden durch Überspannungstransienten. Man denke an einen SiC-MOSFET für die Bordnetzaufladung oder einen Traktionswechselrichter (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt die asymmetrische TVS-Diode TPSMB1505CA zum Schutz des Gate-Treibers eines SiC-MOSFET-Schalters. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Die asymmetrische TVS-Diode TPSMB1505CA von Littelfuse wird zum Schutz des Gate-Treibers des MOSFET verwendet. Der Gate-Treiber hat zwei Zustände; im eingeschalteten Zustand liegt die Gate-Spannung zwischen -5 und +10 Volt, während im ausgeschalteten Zustand die Gate-Spannung unter -10 Volt liegt. Die TPSMB1505CA hat eine Nenndurchbruchspannung von Kathode (K) zu Anode (A) von 16,7 bis 18,5 Volt mit einer maximalen Klemmenspannung von 24,4 Volt. Der I_pp in dieser Richtung beträgt 24,6 Ampere (A) bei einer transienten Impulsdauer zwischen 10 und 1000 Mikrosekunden (μs).

Die Durchbruchsspannung des TVS von A nach K beträgt 6,8 bis 7,4 Volt, die maximale Klemmenspannung 11,5 Volt. Der Impulsspitzenstrom in dieser Richtung beträgt 60 A bei der gleichen transienten Impulsdauer von 10 bis 1000 μs. Beachten Sie, dass dies mit einer einzigen Komponente geschieht. Um diesen asymmetrischen Betrieb mit einzelnen Geräten zu erreichen, wären mehrere Komponenten erforderlich.

Die asymmetrischen TVS-Dioden der Serie TPSMB von Littelfuse (Abbildung 4) enthalten zwei zusätzliche Komponenten, die sich in ihren Durchbruchsspannungen von K nach A unterscheiden. Die TPSMB1805CA bietet einen K-zu-A-Durchbruchsspannungsbereich von 20,0 bis 21,1 Volt mit einer maximalen Klemmspannung von 29,2 Volt. Die I_pp-Bewertung beträgt 20,6 A bei einer Impulsdauer von 10 bis 1000 μs. Der Durchbruchbereich von A bis K ist der gleiche wie beim TPSMB1505CA (6,8 bis 7,4 Volt).

Abbildung 4: Die asymmetrischen TPSMB-Bauteile werden in einem oberflächenmontierbaren DO-214AA-Gehäuse mit einem eingeschnittenen Balken geliefert, der die K-Seite des Bauteils kennzeichnet. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Die TPSMB2005CA hat einen K-zu-A-Durchbruchsspannungsbereich von 22,2 bis 24,5 Volt und eine maximale Klemmspannung von 32,4 Volt. Der I_pp beträgt 18,6 A bei der gleichen Impulsdauer wie bei den anderen Dioden. Der A-zu-K-Durchbruchsbereich ist der gleiche wie bei der TPSMB1505CA.

Alle drei TVS-Dioden sind für eine Impulsspitzenleistung von 600 Watt bei Wellenformdauern von 10 bis 1000 μs ausgelegt und alle sind nach AEC-Q101 für den Automobilbereich qualifiziert. Sie sind in einem oberflächenmontierbaren DO-214AA-Gehäuse untergebracht, um den Platz auf der Leiterplatte zu optimieren und die Dioden nahe an den Schaltkreiskontakten zu platzieren, um den bestmöglichen Schutz zu gewährleisten. Ein eingeschnittener Balken auf der Verpackung zeigt die K-Seite des Bauteils an.

Fazit

Die symmetrischen und asymmetrischen TVS-Dioden der Serie TPSMB sind ideal für den Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen vor Spannungstransienten, die durch Blitzschlag, elektrostatische oder induktive Entladungen verursacht werden. Die asymmetrischen TPSMB-Bauelemente eignen sich besonders gut für den Schutz der Gate-Treiber von schnellen SiC-Schaltern, bei denen ein einziges TVS-Bauelement sowohl Einschalt- als auch Ausschaltpegel abdeckt.