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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Snubber-Diode überlasten?


Autor: Timon (Gast)
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Hallo, in einen Step-up-Wandler will ich die Ausschaltverluste des FETs 
mit einem RCD-Snubber (Widerstand-Kondi-Diode) verkleinern.
In dem Wandler wird die Spule auf maximal 5A geladen. Für den Moment, wo 
der FET abschaltet, seine Drain-Source-Spannung ansteigt, die Diode zum 
Ausgangskondensator aber noch nicht leitet, kommutiert der Strom auf die 
Snubber-Diode. Laut Simulation dauert das bei meiner Schaltung weniger 
als 200ns.

Meine Frage ist:
Da die (Snubber-)Diode den Strom (max. 5A) nur sehr kurz tragen muss und 
(über die Zeit gemittelt) ihre Verlustwärme sehr gering ist,
kann ich dann statt einer 5A-(Snubber-)Diode eine 0.5A-Diode mit 
besseren Eigenschaften nehmen?
Ich läge über dem im Datenblatt angegebenen Peakstrom (der 0.5A-Diode), 
welcher auf einige usec bezogen ist. Wenn ich aber die 
Zeit-Peakstrom-Produkte aus Datenblatt und Simulation vergleiche, müsste 
es gehen. Kann das dauerhaft funktioniern?

Timon

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich läge über dem im Datenblatt angegebenen Peakstrom

Das ist schlecht, denn es heisst, daß du ausserhalb der 
Datenblattangaben arbeitest. Das KANN funktionieren, MUSS aber nicht 
dauerheft funktionieren, und du kannst dich im Fehlerfall nicht beim 
Hersteller beschweren.
Willst du solide Onstruktion, könntest du beim Hersteller der Dioden 
anfragen. Warum aber sollte der für dch eine Aussage fällen die ihm 
Garantieprobleme bringt ? Er hat sicher genug andere Kunden. Also bleibt 
dir nur, es auf deine eigene Kappe zu nehmen. Dabei lohnen sich 
Testläufe bis hin zur Zerstörun, damit man die Kurve der zunehmenden 
Aufsälle erfasst und sich den Punkt aussuchen kann, der einem noch 
liegt.

Man müsste diese Tests aber mit jeder Charge der Dioden auch anderer 
Hersteller erneut drchführen. So geizig, wie du bzw. deine Firma zu sein 
scheint, werdet ihr das aber nicht tun wollen.

Am esten du nennst den Namne der Firma, damit man eure Produkte meiden 
kann.

Autor: Max G. (mgmax)
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Hallo Timon,

ein Datenblatt der Diode wäre hilfreich. Wenn ich mir z.B. das 
Datenblatt einer SB320 von Vishay anschaue, sagt es nicht viel darüber 
aus - es gibt ein Diagramm Vorwärtsspannung vs. 300µs Peakstrom, es 
steht aber nirgendwo direkt dass der ganze Bereich dieses Diagramms auch 
erlaubt wäre.

Gruß

Max

Autor: Timon (Gast)
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Hallo Max,

das Problem ist, dass das Datenblatt nicht viel her gibt.
Die einzige Angabe war ein Pulsstrom bezogen auf 5us, sonst nichts. Das 
ist 25mal solange wie mein Pulsstrom, allerdings liegt der Wert um den 
Faktor 2 unter meinem.

Vielleicht hätte ich den Threat nur "Pulsbelastung für Dioden" nennen 
sollen ;-). Kennst du Dioden im SMD-Gehäuse (Mini-Melf, SOD, usw.)
mit niedriger Eigenkapazität und trr, die 5A Puls aushalten?
Das Gehäuse ist deshalb wichtig, weil ich nur mit SMDs ein 
niederinduktives Layout hinkriegen werde.

Gruß Timon

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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MaWin schrieb:
> Am esten du nennst den Namne der Firma, damit man eure Produkte meiden
> kann.

Ich sehe keinen Grund, die Produkte zu meiden. Schließlich macht sich 
Timon Gedanken zur Belastbarkeit der Diode und fragt hier nach. Einige 
andere Entwickler würden einfach eine Diode verwenden ("Kollege hat 
gesagt, dass wir die schon seit Jahren verwenden. Wofür? Keine Ahnung, 
aber die soll gut sein.") und im Falle eines Fehlers dem Hersteller die 
Schuld in die Schuhe schieben.

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Timon schrieb:
> Kennst du Dioden im SMD-Gehäuse (Mini-Melf, SOD, usw.)
> mit niedriger Eigenkapazität und trr, die 5A Puls aushalten?

Wie wäre es mit einer Diode aus der Serie ES2A-ES2D von Fairchild?

Dauerstrom: 2A
Spitzenstrom: 50A
Spannung: 50V-200V
Kapazität:  18pF (4V, 1MHz)
Erholzeit: 20ns
Gehäuse: SMB/DO-214AA

Autor: Timon (Gast)
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Hallo Andreas,

Danke für den Tip!
Ich habe, dank Dir, die SS34 von Fairchild entdeckt.

http://www.fairchildsemi.com/ds/SS/SS32.pdf

Eines verstehe ich in dessen Datenblatt aber nicht:
Wie ist das Diagramm (Figure 2) auf Seite 2 zu interpretieren?
Bei 100 Impulsen in einer Zeitdauer von 1/60Hz kann die Diode 20A 
vertragen.
Soweit so gut, wenn ich das auf meine Anwendung hochrechne liege ich da 
im grünen Bereich, warum ist das Diagramm dann aber mit "Non-Repetitive" 
beschriftet?

Timon

Autor: oszi40 (Gast)
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Die selbst eingebauten Fehler sind die schönsten. Wenn's öfter 
wiederkehrt, wird sich wohl auch die Temperatur erhöhen??

>Step-up-Wandler
Wirklich mit nur 60Hz ?

Autor: Johannes (Gast)
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> Hallo, in einen Step-up-Wandler will ich die Ausschaltverluste des FETs
> mit einem RCD-Snubber (Widerstand-Kondi-Diode) verkleinern.

Ist das wirklich eine gute Idee bzw. überhaupt sinnvoll? Die 
Ausschaltverluste entstehen doch während der Strom vo5 5A auf 0 absinkt; 
die Diode in deinem Snubber wird aber erst leitend, wenn der Mosfet 
schon abgeschaltet hat.

Das einzige, was du damit verkleinern kannst ist ein Überschwingen in 
der Drain-Source-Spannung. Dadurch wird aber gleichzeitig der 
Wirkungsgrad des Step-Up-Wandlers schlechter.

> Für den Moment, wo der FET abschaltet, seine Drain-Source-Spannung
> ansteigt, die Diode zum Ausgangskondensator aber noch nicht leitet,
> kommutiert der Strom auf die Snubber-Diode.

Das heist aber, dass die Snubber-Diode schneller sein muss als die Diode 
zum Ausgangskondensator. Kannst Du nicht einfach dorteine schnellere 
Diode einbauen?

Eigentlich ist die Zeit, die eine Diode zum Einschalten braucht, sowieso 
bei den meisten Dioden ungefähr gleich, das größere Problem sind 
meistens die Leitungs-Induktivitäten. Ich würde dir deshalb empfehlen, 
den Pfad vom Mosfet über die Diode zur Ausgangskapazität und von dort 
wieder zurück zum Mosfet möglichst kurz und dick zu machen (also wenig 
Induktivität), dann braucht man eigentlich keinen Dioden-Snubber an 
dieser Stelle.

Autor: Timon (Gast)
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>> Die selbst eingebauten Fehler sind die schönsten.
Interessant, was hast du für Anekdoten für uns?

>>Wenn's öfter wiederkehrt, wird sich wohl auch die Temperatur erhöhen??
Nein, vom thermischen her ist das überhaupt keine Herausforderung, das 
würde auch ein kleineres Gehäuse problemlos schaffen.

>>Step-up-Wandler
>Wirklich mit nur 60Hz ?

Nein, wenn man an die Grafik im Datenblatt eine weitere Dekade dranhängt 
ist man bei 60Hz * 1000 = 60KHz. Mein Wandler hat nicht ganz soviel, 
aber das passt schon.

Autor: Timon (Gast)
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>Ist das wirklich eine gute Idee bzw. überhaupt sinnvoll?
Ja, wird u.a. in Netzgeräten hoher Leistung so gemacht.

>Die Ausschaltverluste entstehen doch während der Strom vo5 5A auf 0 >absinkt; 
Nein, die Ausschaltverluste des FETs entstehen, während seine 
Drain-Source-Spannung auf die Spannung ansteigt, bei ber die Ausgangsdiode anfängt 
zu leiten. Wie schnell das geht, hängt vom Spulenstrom und der 
Drain-Source-Kapazität des FETs ab.

>die Diode in deinem Snubber wird aber erst leitend, wenn der Mosfet
>schon abgeschaltet hat.

Nein, die Snubber-Diode leitet sobald ihre Leitspannung erreicht ist;
der Snubber-Kondensator ist zu diesem Zeitpunkt ungeladen, weil er in 
der vorherigen Leitphase des FETs durch den Snubber-Widerstand entladen 
wurde.

>Das einzige, was du damit verkleinern kannst ist ein Überschwingen in
>der Drain-Source-Spannung.

Der Snubber bewirkt reduzierte Schaltverluste im FET, weil der FET 
während seines Ausschaltens nicht mehr den vollen Strom leiten muss.
Auch wirkt er einem Schwingen der Drain-Source-Spannung entgegen,
was aber nur vorkommt, wenn sich der Wandler im diskontinuierlichen 
Betrieb befindet.

>Dadurch wird aber gleichzeitig der Wirkungsgrad des Step-Up-Wandlers >schlechter.
Das ist richtig, ein passend dimensionierter Snubber erspart
dem Schalter Verluste, die er selbst übernimmt. Der Gesamtwirkungsgrad, 
wird sich aber durch ihn nicht erhöhen.

>Das heist aber, dass die Snubber-Diode schneller sein muss als die Diode
>zum Ausgangskondensator. Kannst Du nicht einfach dorteine schnellere
>Diode einbauen?
Auch die schnellste Diode wird erst dann leiten, wenn ihre Leitspannung 
erreicht ist (s.o.).

>Eigentlich ist die Zeit, die eine Diode zum Einschalten braucht, sowieso
>bei den meisten Dioden ungefähr gleich
Das würde ich nicht unterschreiben ;-)

>as größere Problem sind meistens die Leitungs-Induktivitäten
Genau, darum muss es eine SMD-Diode sein, sonst krieg ich das 
layouttechnisch nicht hin.

>Ich würde dir deshalb empfehlen,
>den Pfad vom Mosfet über die Diode zur Ausgangskapazität und von dort
>wieder zurück zum Mosfet möglichst kurz und dick zu machen (also wenig
>Induktivität)
Und da geht noch was: Die Leiterbahnen übereinander führen!
Das verringert die Induktivität um schafft eine kleine Kapazität.

>dann braucht man eigentlich keinen Dioden-Snubber an
>dieser Stelle
Um die Verlustleistung meines FET kleiner zu kriegen fürchte ich doch.

Gruß Timon

Autor: Johannes (Gast)
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> Nein, die Ausschaltverluste des FETs entstehen, während seine
> Drain-Source-Spannung auf die Spannung ansteigt, bei ber die Ausgangsdiode
> anfängt zu leiten. Wie schnell das geht, hängt vom Spulenstrom und der
> Drain-Source-Kapazität des FETs ab.

Schreib doch mal, wie die Eingangs- und Ausgangsspannung ist und was für 
Mosfets du einsetzt.
Wenn man schnelle Mosfets schnell abschaltet ist es eigentlich so, dass 
der Strom im Kanal sehr schnell absinkt, der Strom fließt dann erst mal 
durch die DS-Kapazität weiter.
Die Spannung steigt erst danach, wenn sich die DS-Kapazität auflädt. 
Dabei entstehen aber annähernd keine Verluste (Wirkleistung) im Mosfet, 
es wird nur die Kapazität aufgeladen.

>>die Diode in deinem Snubber wird aber erst leitend, wenn der Mosfet
>>schon abgeschaltet hat.

> Nein, die Snubber-Diode leitet sobald ihre Leitspannung erreicht ist;
> der Snubber-Kondensator ist zu diesem Zeitpunkt ungeladen, weil er in
> der vorherigen Leitphase des FETs durch den Snubber-Widerstand entladen
> wurde.

Wenn der Entlade-Widerstand so niederohmig oder der Kondensator so klein 
ist, dass sich die Snubber-Kapazität innerhalb eines PWM-Zyklus entlädt, 
dann kannst Du die Diode eigentlich weglassen. Da kannst du ein reines 
RC-Glied nehmen.

Normalerweise wird das eher so ausgelegt, dass sich am 
Snubber-Kondensator eine Spannung einstellt, die etwas niedriger als die 
maximal erlaubte DS-Spannung des Mosfet ist. Die Diode soll also nur die 
Spannungsspitzen begrenzen, damit der Mosfet nicht zerstört wird. Diese 
Schaltung wird deshalb auch oft als Clamp bezeichnet und nicht als 
Snubber.

> ..., ein passend dimensionierter Snubber erspart
> dem Schalter Verluste, die er selbst übernimmt. Der Gesamtwirkungsgrad,
> wird sich aber durch ihn nicht erhöhen.

Und du bist der Meinung, dass man den Widerstand im Snubber besser 
kühlen kann als den Leistungs-Mosfet, der sowieso schon gekühlt wird?


>> Eigentlich ist die Zeit, die eine Diode zum Einschalten braucht, sowieso
>> bei den meisten Dioden ungefähr gleich
> Das würde ich nicht unterschreiben ;-)

Kann man aber näherungsweise schon so sehen. In Vorwärtsrichtung wird 
das Einschaltverhalten viel mehr durch die Induktivität der Leitungen 
bestimmt als durch die Eigenschaften des Halbleiters. Deshalb findet man 
in den Datenblättern auch nur sehr selten irgendwelche Angaben dazu.

> Und da geht noch was: Die Leiterbahnen übereinander führen!
> Das verringert die Induktivität um schafft eine kleine Kapazität

Die Kapazität wird dadurch eher größer, aber die ist hier nicht das 
Problem. Aber für die Induktivität ist das schon sinnvoll.

>> dann braucht man eigentlich keinen Dioden-Snubber an
>> dieser Stelle
> Um die Verlustleistung meines FET kleiner zu kriegen fürchte ich doch.

Die Verluste wirst Du dadurch nicht wirklich reduzieren. Und wenn doch, 
dann wird der Snubber-Widerstand dafür ziemlich warm, was auch nicht 
unbedingt besser ist.
Hast Du auch mal die Einschaltverluste betrachtet? Bei einem Step-Up 
Wandler sind diese evtl. das größere Problem, weil hier bei einer 
relativ hohen Spannung eingeschaltet wird und dabei die Kapazität des 
Mosfet und die der Diode(n) umgeladen werden. Eine zusätzliche Diode 
erhöht die Gesamtkapazität, so dass die Einschaltverluste größer werden.

Autor: oszi40 (Gast)
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Johannes schrieb:
> Wenn der Entlade-Widerstand so niederohmig oder der Kondensator so klein
> ist, dass sich die Snubber-Kapazität innerhalb eines PWM-Zyklus entlädt,
> dann kannst Du die Diode eigentlich weglassen. Da kannst du ein reines
> RC-Glied nehmen.

Das wird nicht einfach.

Jedenfalls könntE die wohl dimensionierte, externe, schnelle 
Diodenkombination die Aufheizung der Schutzdioden im unbekannten MOSFET 
verringern, da wir NOCH nicht wissen, ob diese das in jeder Lebenslage 
aushalten. siehe Falk Beitrag "Schutzdiode für IRLZ34N bei induktiver Last"

Ob Timons Aufbau dann perfekt ist wissen wir jetzt auch nicht.

Autor: Johannes (Gast)
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> Jedenfalls könntE die wohl dimensionierte, externe, schnelle
> Diodenkombination die Aufheizung der Schutzdioden im unbekannten MOSFET
> verringern,

Damit können Spannungsspitzen verringert werden, so dass der Mosfet 
gegen Überspannung geschützt wird. Die Abschaltverluste werden aber 
nicht wirklich reduziert.

Autor: Timon (Gast)
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Hallo Johannes, ich kann nicht zuviele Informationen über das Projekt 
geben,
aber du hast mit deinen Fragen schon richtig gelegen:
Es sind (wahrscheinlich) weniger die Leitverluste, die den FET aufheizen 
werden, weil das schon ziemlich gute FETs sind, die darin verbaut 
werden.

>Die Verluste wirst Du dadurch nicht wirklich reduzieren. Und wenn doch,
>dann wird der Snubber-Widerstand dafür ziemlich warm, was auch nicht
>unbedingt besser ist.
Da zeigte meine Simulation etwas anderes.

>Die Verluste wirst Du dadurch nicht wirklich reduzieren. Und wenn doch,
>dann wird der Snubber-Widerstand dafür ziemlich warm, was auch nicht
>unbedingt besser ist.
Doch, für mich schon, ich will den FET kalt halten, der Widerstand darf 
warm werden!

>Hast Du auch mal die Einschaltverluste betrachtet?
>...weil hier bei einer
>relativ hohen Spannung eingeschaltet wird und dabei die Kapazität des
>Mosfet und die der Diode(n) umgeladen werden. Eine zusätzliche Diode
>erhöht die Gesamtkapazität, so dass die Einschaltverluste größer werden.
Ja, das habe ich, eben aus den Gründen war die Keinsignaldiode so 
verführerisch, weil sie eben eine sehr geringe Kapazität hat.

Autor: Timon (Gast)
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>Wenn der Entlade-Widerstand so niederohmig oder der Kondensator so klein
>ist, dass sich die Snubber-Kapazität innerhalb eines PWM-Zyklus entlädt,
>dann kannst Du die Diode eigentlich weglassen. Da kannst du ein reines
>RC-Glied nehmen.
Warum? Der Snubber-Kondensator liegt höchstens im nF-Bereich, der 
Widerstand hat wenige zehn Ohm, da reicht eine us locker zum Entladen.

Autor: Johannes (Gast)
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>> Wenn der Entlade-Widerstand so niederohmig oder der Kondensator so klein
>> ist, dass sich die Snubber-Kapazität innerhalb eines PWM-Zyklus entlädt,
>> dann kannst Du die Diode eigentlich weglassen. Da kannst du ein reines
>> RC-Glied nehmen.

> Warum? Der Snubber-Kondensator liegt höchstens im nF-Bereich, der
> Widerstand hat wenige zehn Ohm, da reicht eine us locker zum Entladen.

Wie ist denn die Snubber-Schaltung aufgebaut? Wenn die Diode vom Drain 
zum Kondensator geschaltet ist (Kondensator liegt auf GND) und der 
Widerstand mit 10 Ohm parallel zum Kondensator, dann fließt ja ein 
ziemlich großer Strom durch den Widerstand.

Oder wird der Kondensator auf die Ausgangsspannung entladen? Dann wird 
er ja nicht wirklich entladen. Zeig doch mal die Simulation, die du 
gemacht hast.

Autor: Timon (Gast)
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>Wenn die Diode vom Drain
>zum Kondensator geschaltet ist (Kondensator liegt auf GND) und der
>Widerstand mit 10 Ohm parallel zum Kondensator, dann fließt ja ein
>ziemlich großer Strom durch den Widerstand.
Diese Variante ist für mich nicht vorteilhaft.
Bei mir liegt der Widerstand parallel zur Diode.
Dadurch kann der Snubber-Kondensator beim Abschalten des FET den vollen 
Strom übernehmen, und sich durch den Widerstand entladen, wenn der FET 
leitet. Das ist ein sog. "Turn-off-Snubber" wie in
http://ken-gilbert.com/images/pdf/snubber.pdf auf Seite 11.

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