Power-Tipp So fangen Sie Überspannungen wirkungsvoll ab

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Überspannunsgsschutz-Bausteine sind recht einfach und unspektakulär. Kleine Ausstattungsmerkmale können jedoch einen großen Unterschied im Verhalten des Überspannungsschutzes und bei der Auswahl eines passenden MOSFETs machen. In diesem Power-Tipp zeige ich, wie man einen kleineren MOSFET sicher im SOA-Bereich betreiben kann.

Viele Anwendungen müssen vor Überspannungen geschützt werden. Überspannungen werden beispielsweise durch das schnelle Abschalten einer hohen Last in einem Energieverteilungssystem verursacht. Um andere Verbraucher zu schützen, die an derselben Spannungsversorgung hängen, empfiehlt sich ein Überspannungsschutz. Bild 1 zeigt die Anordnung eines Schutzbausteins vor der zu schützenden elektronischen Schaltung. Das Beispiel ist aus einer industriellen Anwendung, bei welcher 24 V die nominale Versorgungsspannung ist.

Üblicherweise soll die zu schützende Elektronik auch während einer Überspannung ohne Unterbrechung weiterlaufen. Das erfordert von der Schutzschaltung einen Betrieb des Leistungsschalters (Q1 in Bild 1) im linearen Bereich. Der MOSFET ist während der auftretenden Überspannung weder abgeschaltet noch eingeschaltet, er ist teilweise eingeschaltet. In diesem Betriebszustand verhält er sich wie ein Widerstand, an welchem die Überspannung abfällt. Die Energie der erhöhten Spannung wird somit im MOSFET Q1 in Wärme umgewandelt. Je nach Auswahl des MOSFETs kann er diese Wärme nur kurz oder auch länger aushalten, bevor er durch zu hohe Wärmeentwicklung zerstört wird.

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Bild 2 zeigt eine SOA-Kurve (Safe Operating Area) eines MOSFETs. In dieser ist festgelegt, wie lange der Baustein welchen Strom bei welchem Spannungsabfall führen kann. Möchte man einen höheren Strom für längere Zeit durch den MOSFET fließen lassen, muss ein MOSFET ausgewählt werden, der einen größeren SOA-Bereich hat. Je größer der SOA-Bereich, desto größer wird auch der MOSFET. Damit steigen auch die Kosten für den Baustein.

Um den Baustein optimal zu dimensionieren, wird versucht, einen möglichst kleinen MOSFET sicher zu betreiben. Dies bedeutet, dass er nicht überdimensioniert ist und trotzdem ein Großteil seiner SOA in der Anwendung genutzt werden kann. Das erfordert vom Controller IC ein genaues Erkennen des Betriebszustands, ob der Betrieb im sicheren Bereich der SOA stattfindet. Viele Controller ICs messen hierzu allerdings nur den Strom, der durch den MOSFET fließt. Besser ist es, auch den Spannungsabfall über dem MOSFET zu kennen.

Der Surge Protector LT4363 betrachtet nicht nur die Höhe des Stromes durch den MOSFET, sondern auch die Spannung, die zwischen Source und Drain anliegt. Somit kann der MOSFET im linearen Betrieb sicherer betrieben werden. Dadurch lässt sich ein kleinerer MOSFET auswählen und zu niedrigeren Systemkosten führen.

Der Schutzmechanismus funktioniert dadurch, dass je nach gemessenem Strom und der gemessenen Abfallspannung, der Timer-Kondensator am TMR-Pin in Bild 1 geladen wird. Steigt die Spannung am Kondensator über 1,275 V an, wird eine Warnung generiert. Ab 1,375 V wird der MOSFET komplett abgeschaltet um ihn zu schützen.

Bild 3 zeigt, wie die Spannung am Timer-Kondensator des LT4363 in Bild 1 ansteigt aufgrund der U_DS-Spannung am MOSFET Q1 in Bild 1. Ein ähnliches Ladediagramm gibt es für den Strom, welcher durch den MOSFET Q1 fließt. Mit diesen Parametern wird sichergestellt, dass die SOA-Kurve eines MOSFETs nicht verlassen wird. Ein sicherer Betrieb und gleichzeitiger Überspannungsschutz werden so erreicht. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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