Verpolungsschutz mit Super Barrier Rectifier für Kraftfahrzeug-ECUs

| Autor / Redakteur: Siva Uppuluri * / Gerd Kucera

Eine alternative Lösung: der Super Barrier Rectifier

Eine Alternative zu diesen Lösungsansätzen gibt es mit der Leistungsdiode SBR (Super Barrier Rectifier); sie besitzt eine proprietäre Gleichrichtertechnologie von Diodes Incorporated, welche die Einfachheit und Robustheit einer herkömmlichen Diode mit der niedrigen Vorwärtsspannung einer Schottky-Diode vereint und auf diese Weise zu einer besonderen Lösung führt. Bild 2 zeigt, wie eine SBR in die High-Side-Versorgung der ECU eingeschaltet wird, ähnlich wie eine herkömmliche Diode.

Im Gegensatz zu einem typischen Schottky-Baustein erzeugt der Super Barrier Rectifier mithilfe eines MOS-Kanals eine Barriere mit niedrigem Potenzial für Majoritäts-Ladungsträger, woraus eine Kombination von niedriger VF mit hoher Zuverlässigkeit resultiert. Gleichzeitig weist der SBR einen niedrigeren Rückwärts-Leckstrom auf, der selbst bei hohen Temperaturen stabil bleibt und so die Energieverluste minimiert sowie das mit Schottky-Dioden verbundene Risiko eines thermischen Durchgehens vermeidet. Außerdem sorgt der Wegfall von Schottky-Übergängen für eine höhere Toleranz gegenüber Überspannungen. Und schließlich bestehen, im Gegensatz zu Schaltungen mit einem N-Kanal-MOSFET, keinerlei EMI-Bedenken, weil keine Ladungspumpe erforderlich ist.

Schutz gegen Transienten und Überspannungen

Der Schutzbaustein, der einen Stromfluss infolge einer verpolten Batterie verhindern soll, kann indessen auch selbst potenziell schädigenden Transienten ausgesetzt sein. Während in zahlreichen Arten von Schalttransienten Impulse kurzer Dauer entstehen können, liegt die Ursache der gefährlichsten Hochenergie-Impulse in Ereignissen wie einer plötzliche Trennung der Versorgung beim Speisen einer induktiven Last oder einem Lastabwurf, wenn die Batterie getrennt wird, während sie die Lichtmaschine lädt, was einen schwerwiegenden positiven Impuls zur Folge hat.

In der Norm ISO 7637 ist eine Reihe von Tests zur Verträglichkeit von elektrischen Transienten zusammengestellt, die eine ECU erfüllen muss. Diese sind so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Worst-Case-Transienten simulieren, die in einem Fahrzeug auftreten können. Darunter simulieren der Impuls 1 beziehungsweise Impuls 5a die rauen Impulse infolge einer Trennung der Stromversorgung oder eines Lastabwurfs, welche die größten Bedrohungen der ECU-Verpolschutzbausteine darstellen.

In Bild 3 sind die Testbedingungen von Impuls 1 nach ISO dargestellt. Der Baustein für den Batterie-Verpolschutz muss in der Lage sein, diesen Impuls auszuhalten. Wird eine Schottky-Diode verwendet, muss der Baustein eine hohe Sperrspannung aufweisen, um die Überlebensfähigkeit zu gewährleisten. Die Abwägung liegt darin, dass Bausteine mit höheren Nennspannungen auch eine höhere VF haben, was zu höheren Verlusten führt.

Andererseits sind MOSFETs und SBRs durch wohldefinierte Avalanche-Eigenschaften gekennzeichnet, die den Einsatz einer niedrigeren Nennspannung für einen höheren Wirkungsgrad im Normalbetrieb erlauben. Im Allgemeinen hat ein SBR eine 10-fach bessere Avalanche-Fähigkeit als ein Schottky-Baustein mit gleicher Nennspannung, wie den Vergleichen in Bild 4 zu entnehmen ist. Bei einem sorgfältigen Design kann eine MOSFET-basierte Lösung eine Avalanche-Festigkeit liefern, die gleich der eines SBR ist.

Der Impuls 5a nach ISO 7637 ist in Bild 5 zu sehen. Dieser simuliert eine Lastabwurfbedingung und ist der schwerwiegendste positive Impuls, dem der Baustein ausgesetzt ist. Um sicherzustellen, dass der gewählte Schutzbaustein in der Lage ist, diesen Test unbeschadet zu überleben, benötigen Entwickler Informationen über dessen Durchlass-Stoßstromfestigkeit. Diese Informationen sind in den Datenblättern für AEC-Q101-qualifizierte SBRs enthalten.

Durch die Evaluierung der entscheidenden Kennwerte eines Batterie-Verpolschutz-ICs, einschließlich Effizienz, Kosten, Zuverlässigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit, ist es möglich, die Stärken des SBRs mit existierenden Schottky- und MOSFET-Technologien zu vergleichen. Die Tabelle fasst die Analyse zusammen. Diese Referenz kann Entwicklern helfen, den optimalen Lösungsansatz auf Grundlage der Prioritäten der Anwendungen auszuwählen.

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Schlussbetrachtung: Es gibt eine Reihe von nutzbaren Lösungen für die Implementierung des erforderlichen Batterie-Verpolschutzes für ECUs im Kraftfahrzeug. Für die Schaltungsentwicklung müssen Faktoren wie Leistungsverbrauch und Kosten der ECU in Betracht zu ziehen, um eine optimale Kombination von Wirkungsgrad, Schaltungskomplexität, elektromagnetischer Verträglichkeit und Robustheit zu erreichen. Der Super Barrier Rectifier, der für Hochleistungs-, Hochtemperatur-Anwendungen wie im Automotive-Bereich entwickelt wurde, bietet eine preislich wettbewerbsfähige Alternative zur Schottky-Diode und kann in Situationen, bei denen größter Wert auf geringe Kosten, niedrige Komplexität und dem Wegfall von EMI-Problemen gelegt wird, einen besseren Wirkungsgrad und höhere Zuverlässigkeit liefern.

* Siva Uppuluri ist Applications Engineer bei Diodes Inc.

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