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Wie funktioniert Überspannungsschutz mit Hilfe von Avalanche Dioden?

Erstellt von Jürgen Gerber, Produktgruppenleiter Diskrete Halbleiter bei Rutronik Elektronische Bauele-mente GmbH und Jochen Krieger, Senior Manager Application and Product Engineering - Diodes Division - TVS & ESD-Protection Diodes & EMI-Filter, Vishay |

Überspannungen können immer dann auftreten, wenn ein IGBT in einer Hochleistungsapplikation schnell ein- und ausgeschaltet wird. Zum Beispiel beim Abschalten des Laststromkreises schnellt die Kollektor-Emitter-Spannung schlagartig auf sehr hohe Werte. Solche Überspannungen können die Schalttransistoren schwer beschädigen oder sogar zerstören.

Wie helfen Avalanche Dioden gegen diese Überspannungen?

Eine gängige Methode, um solche Überspannungen zu vermeiden, ist das sogenannte "Active Clamping". Dabei wird eine Avalanche Diode als Rückkopplung eingesetzt. Sobald beim Abschalten eine Überspannung von der induktiven Last entsteht, wird diese durch die Avalanche Diode zum Gate des IGBTs weitergeleitet und der IGBT wird wieder eingeschaltet.

Das Schaubild zeigt das Prinzip: Während die Spannung ansteigt, ist die Diode gesperrt (A). Sobald ein freies Elektron in der Raumladungszone eine Lawine auslöst, bricht die Spannung schlagartig unter den Durchbruchspannungspegel von 30V zusammen, so dass die Lawine sofort zusammenbricht (B). Nur manchmal kann für kurze Zeit ein konstanter Lawinenstrom aufrechterhalten werden, bevor der Lawinenstrom erneut abbricht und die Spannung wieder ansteigt (C). Die Durchbruchverzögerung (break down delay (D)), d.h. die Zeit zwischen zwei Durchbrüchen, ist nicht vorhersehbar.

Für das Active Clamping empfehlen sich Avalanche Dioden mit optimiertem Rauschverhalten. Denn sie ermöglichen:

  • ein schnelleres Durchbrechen bei schnell ansteigenden Sperrspannungen und
  • eine robustere Durchbruchspannung bei kleinen Strömen (unter ~ 1mA), dadurch
  • eine längere Lebensdauer der anderen Bauelemente, wie IGBTs oder Mosfets, und damit
  • Kostenersparnisse für Applikationen wie Frequenzumrichter oder Motoransteuerungen, da die Bauelemente seltener getauscht werden müssen.

Wie entsteht das Rauschen der Avalanche Diode?

Das Rauschen der Avalanche Diode ist das ständige Ein- und Abschalten der Lawine, d.h. der stetige Aufbau von Spannungsspitzen und ihr schlagartiger Zusammenbruch (s. Schaubild). Für einen Lawinendurchbruch gibt es zwei Voraussetzungen:

  1. Das Anliegen der Durchbruchspannung, um eine kritische Feldstärke zur Stoßionisation zu erzeugen.
  2. Das Vorhandensein von freien Elektronen, da sie den Leckstrom bilden.

Ein Leckstrom von bspw. 1,6pA = 1,6 x 10-12A entspricht einem Elektronendurchsatz durch die Sperrschicht von 107 Elektronen pro Sekunde. Sie können im statistischen Mittel nur alle 100ns eine Lawine auslösen. Da nicht jedes Elektron eine Lawine auslöst, dauert es in der Realität deutlich länger. Die Auslösewahrscheinlichkeit für einen Lawinendurchbruch ist somit proportional zum Leckstrom. Es gilt also: Je höher der Leckstrom, desto höher die Auslösewahrscheinlichkeit für einen Lawinendurchbruch, bzw. desto kürzer die Durchbruch-Verzögerungszeit (im Schaubild: D).

Zwischen zwei aufeinander folgenden Leckstrom-Elektronen kann die Sperrspannung an der Diode deutlich über die Durchbruchspannung hinaus ansteigen. Erst wenn das folgende Elektron eine Lawine auslöst, bricht die Spannung an der Diode plötzlich auf die Durchbruchspannung zusammen.

Liefert die angeschlossene Quelle eine ausreichende Stromstärke, z.B. 1mA, kann sich der Lawinendurchbruch durch eine ständige Stoßionisation selbst erhalten und es fließt ein stabiler Lawinenstrom.

Bei zu geringer Stromstärke, z.B. 100μA, wird die Diode durch den abrupten Lawinendurchbruch unter die Durchbruchspannung entladen, so dass der Lawinendurchbruch wieder schlagartig zum Erliegen kommt. Der niedrige Quellstrom muss zuerst wieder die Dioden- und Zuleitungskapazität auf die erforderliche Spannung aufladen bevor das nächste Elektron eine neue Lawine auslösen kann. Durch dieses fortwährende Ein- und Abschalten der Lawine kommt es zu dem typischen Rauschen der Avalanche-Dioden im Durchbruch.

Welchen Unterschied das Rauschverhalten der Diode macht, zeigt ebenfalls das Schaubild: Hier kommen im Durchbruchspannungsbereich von 30V bei einem Sperrstrom (IR) von 100μA zwei Z-Dioden (Zener Dioden) zum Einsatz. Eine wurde mit einer Standard Technologie mit sehr kleinem Leckstrom hergestellt, die andere mit der "Low Noise Technology". Die Zener Diode mit "Low Noise Technology" zeigt einen deutlich robusteren Spannungsverlauf als die andere Diode, die nur für eine kurze Zeit einen konstanten Lawinenstrom aufrechterhalten kann (C).

Rauscharme Z-Dioden mit "Low Noise Technology" sind von Vishay erhältlich. Die neue Generation von Z-Dioden der Serien SMFBZD27BZG 03BZG04BZG05PLZ und VTVS  steigern mit ihrem moderat erhöhten Leckstrom (IR~ 10nA) und damit geringerem Rauschen die Auslösewahrscheinlichkeit für einen Lawinendurchbruch deutlich. Für den Anwender bedeutet das eine stabilere Durchbruchspannung bei kleinen Strömen (unter ~ 1mA) und eine schnelleres Durchbrechen bei schnell ansteigenden Sperrspannungen.

Weitere Einflussgrößen auf das Rauschen der Diode

Der Leckstrom steigt exponentiell mit der Temperatur, d.h. das Rauschen verringert sich mit steigender Temperatur. Auch Licht kann freie Elektronen in der Raumladungszone der Diode erzeugen und so das Rauschen verringern. Das heißt: Je dunkler und kälter, desto größer das Rauschen.

Sämtliche Komponenten finden Sie auf www.rutronik24.de.