Snubber-Schaltungen und wie sie Leistungshalbleiter schützen

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine Snubber-Schaltung funktioniert am besten, wenn man ihre Dimensionierung an den gemessenen oder modellierten Überschwingen in der tatsächlichen Schleife mit hohem di/dt ausrichtet.
• Eine RC-Dämpfungsschaltung reduziert die Spannungsbelastung durch Dämpfung der Resonanz, doch die damit verbundenen Verluste und die Platzierungsinduktivität schränken ihren Nutzen erheblich ein.
• Eine frühzeitige Modellierung von Streuinduktivität, lokaler Kapazität und Schaltflanken ermöglicht Ihnen einen besseren Kompromiss zwischen Dämpfung und Wärmeentwicklung als nachträgliche Korrekturen auf dem Prüfstand.

Eine Dämpfungsschaltung schützt ein Schaltgerät nur dann, wenn sie auf die Streuinduktivität und den Spannungsüberschwinger im eigentlichen Kommutationskreis ausgelegt ist.

Viele Ingenieure fragen sich, was eine Snubber-Schaltung ist, nachdem sie auf dem Prüfstand ein Schwingen der Drain-Spannung beobachtet haben – doch dann ist es bereits zu spät. Eine Snubber-Schaltung ist ein kleines Schaltnetzwerk, häufig eine RC-Snubber-Schaltung, das der induktiven Energie beim Schalten einen kontrollierten Abflussweg bietet. Diese Kontrolle ist wichtig, da das Überschwingen auf den physikalischen Regelkreis zurückzuführen ist. Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie den Snubber von Anfang an als Teil des Schaltpfades betrachten.

Schnelle Bauelemente haben dieser Disziplin eine größere Bedeutung verliehen. Bei Schaltern mit großer Bandlücke wurden in praktischen Leistungswandler Tests Steigraten von über 50 kV/μs gemessen. Sobald die Flanken so steil sind, erscheinen schon wenige Nanohenry nicht mehr als gering, und das Schwingen ist kein rein kosmetisches Problem mehr. Bei jedem Ausschalten des Schalters müssen Sie die Belastung des Bauelements, zusätzliche Verluste, Fehlauslösungen und die Sicherheitsmarge bis zum Durchschlag im Auge behalten.

Eine Snubber-Schaltung bietet Streuenergie einen kontrollierten Ableitungsweg

Eine Snubber-Schaltung bietet der in Streuinduktivitäten gespeicherten Energie einen Ausweg, wenn der Strom schnell wechseln muss. Dadurch werden Spitzenspannungen begrenzt und Schwingungen gedämpft. Eine RC-Snubber-Schaltung erreicht dies mithilfe eines Kondensators, der den ersten Spannungsspitzenwert auffängt, und eines Widerstands, der die aufgefangene Energie ableitet. Das Ergebnis ist eine geringere Belastung des Schalters.

Nehmen wir einen MOSFET auf der Niederspannungsseite einer Halbbrücke, der eine Motorwicklung speist. Es fließt Strom, das Bauelement schaltet ab, und die Schleifeninduktivität treibt die Drain-Spannung über die Bus-Spannung hinaus. Ein über das Bauelement geschalteter Kondensator verlangsamt den anfänglichen Spannungsanstieg, während der Widerstand verhindert, dass dieser Kondensator mit der Schleife in Schwingung gerät. Man verlässt sich nicht mehr darauf, dass die Lawinen-Spannungsfestigkeit des MOSFET jeden Layoutfehler auffängt.

Aus diesem Grund benötigen Leistungshalbleiter in vielen praktischen Anwendungen Snubber. Die Induktivität des Gehäuses, die Induktivität der Sammelschienen, Durchkontaktierungen und die Anordnung der Kondensatoren tragen alle zur gespeicherten Energie bei, die beim Schalten zum Tragen kommt. Ein Snubber kann ein schlechtes Layout zwar nicht allein beheben, aber er begrenzt die Auswirkungen dieses Layouts auf den Halbleiter. Das ist ein weitaus besseres Ziel, als nach einem fehlgeschlagenen Test wahllos Bauteile hinzuzufügen.

Der Spannungsüberschwinger beginnt beim Ausschalten mit der Schleifeninduktivität

Ein Spannungsüberschwingen beim Ausschalten entsteht dadurch, dass die Stromschleife versucht, den Stromfluss durch die Streuinduktivität aufrechtzuerhalten. Je schneller der Strom abfällt, desto größer ist die induzierte Spannung. Selbst eine saubere Gate-Ansteuerung kann diese physikalische Tatsache nicht verhindern. Man verringert das Überschwingen, indem man die Schleife verkleinert, die Flanke abflacht oder einen Snubber-Pfad hinzufügt.

Eine einfache rechnerische Überprüfung zeigt, wie wenig Induktivität schon ausreicht, um Probleme zu verursachen. Schon 10 nH Schleifeninduktivität erzeugen 50 V, wenn sich der Strom mit 5 A/ns ändert. Das reicht aus, um ein 650-V-Bauteil in einer 600-V-Bus-Anwendung gefährlich nahe an seine Grenze zu bringen. Ein Messverlauf mit einem Überschwingen von 80 V bis 120 V ist oft auf Geometrien zurückzuführen, die auf der Leiterplatte kaum zu erkennen sind.

Dies lässt sich in einem Doppelimpulstest beobachten. Eine kompakte, laminierte Busleitung und eine enge Entkopplung neigen weniger zu Schwingungen als eine lange Schleife, die sich über die gesamte Leiterplatte bis zum Großkondensator erstreckt. Der entscheidende Punkt ist, dass sich die störende Induktivität im Pfad mit hohem di/dt befindet. Sobald man diesen Pfad gefunden hat, erscheint das Überschwingen nicht mehr rätselhaft, sondern lässt sich messen.

Ein RC-Snubber funktioniert, indem er Schwingungen gegen Wärme eintauscht

Eine RC-Snubber-Schaltung wandelt hochfrequente Schwingungen in einem Widerstand in Wärme um. Der Kondensator nimmt bei einem Spannungssprung die erste Ladung auf, und der Widerstand leitet diese Energie über den Rest des Zyklus ab. Die Schwingamplitude nimmt ab, da die Resonanzschleife bei jeder Schwingung Energie verliert. Der Preis dafür sind konstante Schaltverluste.

Anhand einer Drain-Wellenform lässt sich dies leicht veranschaulichen. Ohne den Snubber könnte die Spannung an einem 400-V-Bus auf 520 V ansteigen und dann mehrere Zyklen lang schwingen, bevor sie sich einpendelt. Mit einem richtig dimensionierten RC-Netzwerk steigt die Spannung an diesem Knoten auf einen niedrigeren Spitzenwert an und pendelt sich nach ein oder zwei kleineren Schwankungen ein. Man nimmt dabei eine geringe Erwärmung des Widerstands in Kauf, damit der Halbleiter einer weitaus geringeren wiederholten Belastung ausgesetzt ist.

Der Einsatz eines solchen Schaltkreises lohnt sich in der Regel dann, wenn die Alternative eine Lawine, ein falsches Einschalten oder elektromagnetische Störungen ist, die in die Strommessung eindringen. Der Widerstandswert bestimmt die Dämpfung, während der Kondensatorwert festlegt, wie viel von der ersten Spannungsspitze absorbiert wird. Eine überdimensionierung beider Bauteile unterdrückt zwar das Schwingen, führt jedoch zu unnötigem Stromverbrauch. Bei einer guten Snubber-Auslegung muss stets abgewogen werden, welcher Überschwinger reduziert werden muss und welche zusätzlichen Verluste akzeptabel sind.

„Eine gut ausgelegte RC-Dämpfungsschaltung löst ein Spannungsproblem, ohne dass dabei ein Temperaturproblem neben dem Bauelement entsteht.“

Die Platzierung der Snubber sollte der Schleife mit dem höchsten di dt folgen

Die Platzierung des Snubbers ist am effektivsten, wenn das RC-Netzwerk direkt über dem Element angeordnet ist, bei dem die problematische Schleifeninduktivität auftritt. Der elektrische Abstand ist ebenso wichtig wie die Platzierung im Schaltplan, da die Verbindungsinduktivität den Stromfluss in den Snubber verzögert. Ein kleines Bauteil, das direkt über der Schaltschleife platziert wird, funktioniert in der Regel besser.

Stellen Sie sich einen MOSFET, seinen Diodenstrom-Kommutierungspfad und den nächstgelegenen Hochfrequenz-Entkopplungskondensator vor. In dieser kleinen Schleife entsteht die Spannungsspitze. Wenn der Snubber über lange Leiterbahnen mit einem ruhigeren Abschnitt des Busses verbunden ist, fließt der Schwingungsstrom dennoch durch dieselbe parasitäre Induktivität, bevor er den Snubber erreicht. Sie werden nur eine teilweise Verbesserung messen und sich fragen, warum die Berechnungen besser aussahen.

An dieser Stelle kommt die Modellierung zum Tragen, noch bevor die Hardware feststeht. Mit SPS SOFTWARE können Sie einen RC-Snubber gegen eine modellierte Streuinduktivität einsetzen und die Dämpfung anhand eines überprüfbaren Schaltungsmodells mit den zusätzlichen Verlusten vergleichen. Durch diesen Ansatz werden Layout und die Wahl des Snubbers zu einem einheitlichen Problem. So erkennen Sie schon früh, wann eine bessere Regelschleife einem größeren Widerstand stets überlegen ist.

Die Dimensionierung des MOSFET-Snubbers beginnt bei der gemessenen Schwingungsfrequenz

Die Dimensionierung eines Snubbers für einen MOSFET beginnt mit dem Schwingungsverhalten, das Sie bereits im tatsächlichen Regelkreis gemessen oder abgeschätzt haben. Die Schwingungsfrequenz gibt das LC-Paar vor, das Sie dämpfen müssen. In einem ersten Durchgang wird der Kondensator in der Regel nahe am Bereich der parasitären Kapazität eingestellt und anschließend der Widerstand so angepasst, dass eine kritische Dämpfung erreicht wird. Mit Laborversuchen lässt sich das Ergebnis dann verfeinern.

Ein praktischer Arbeitsablauf beginnt mit einer Doppelimpuls-Wellenform und den gemessenen Schaltdaten Ihrer Hardware. Sie erfassen die Schwingungsfrequenz nach dem Ausschalten, schätzen die Schleifeninduktivität oder die effektive Kapazität und wählen einen Kondensator aus, der die Resonanz deutlich verschiebt. Anschließend stellen Sie den Widerstand nahe der Quadratwurzel von L/C für die lokale Schleife ein und nehmen von dort aus Feinabstimmungen vor. Ein 10-MHz-Schwingung erfordert ein ganz anderes Netzwerk als eine 2-MHz-Schwingung, selbst bei gleicher Busspannung.

Die Verluste im Snubber müssen unterhalb der thermischen Reserve bleiben

Der Verlust im Snubber ist der Hauptfaktor für die Kosten einer besseren Dämpfung und muss innerhalb Ihrer thermischen Reserve liegen. Bei jedem Schaltzyklus wird der Snubber-Kondensator geladen und entladen. Diese Energie wird als Wärme im Widerstand abgegeben. Eine gut ausgelegte RC-Snubber-Schaltung löst ein Spannungsproblem, ohne dass dabei ein Temperaturproblem neben dem Bauelement entsteht.

Eine schnelle Schätzung sorgt für Realismus. Wenn der Snubber-Kondensator 470 pF an einem 400-V-Knoten bei 100 kHz beträgt, beträgt die Kondensatorenergie pro Zyklus 1/2CV², und die durchschnittliche Verlustleistung liegt schnell im Wattbereich, sobald beide Übergänge berücksichtigt werden. Das reicht aus, um einen kleinen Chip-Widerstand zu überhitzen, der neben einem warmen MOSFET platziert ist. Sie benötigen die Impulsbelastbarkeit des Widerstands, die Gehäusegröße, die Kupferfläche und den Luftstrom, um diese Werte mit den berechneten Verlusten abzugleichen.

Auch die thermische Reserve bestimmt, wie viel Dämpfung man sich leisten kann. Eine sauberere Wellenform ist nicht viel wert, wenn der Widerstand im Normalbetrieb nahe an seiner Grenze arbeitet. Durch Verbesserungen am Layout lässt sich oft die gleiche Reduzierung des Überschwingens ohne wiederkehrende Verluste erzielen. Deshalb sollte die Auslegung des Snubbers parallel zur Layout-Arbeit erfolgen, anstatt darauf zu warten.

Bei der Simulation sollten Streuinduktivitäten berücksichtigt werden, bevor Entscheidungen zum Layout getroffen werden.

Um eine Snubber-Schaltung zu simulieren, muss man zunächst absichtlich Streuinduktivität in die Schaltschleife einbringen. Bei idealen Leitungen tritt dieses Problem nicht auf. Es ist erforderlich, dass die Gehäuseinduktivität, die Schleifeninduktivität, die Kapazität des Bauelements und der lokale Entkopplungspfad so gut dargestellt werden, dass es zu Schwingungen kommt. Sobald diese Struktur vorliegt, sind die RC-Werte aussagekräftig.

Ein nützliches Ausgangsmodell ist klein und spezifisch. Sie platzieren die Busquelle, den Schalter, den Freilaufpfad, den Hochfrequenzkondensator und eine konzentrierte Streuinduktivität genau dort, wo sich die Kommutierungsschleife tatsächlich befindet. Dann lösen Sie ein Ausschalt-Ereignis aus und beobachten die Drain- oder Kollektorspannung, die Stromabfallzeit und die Verlustleistung am Widerstand. Sie suchen nach denselben Merkmalen, die Sie später auf dem Prüfstand messen werden. Eine ideale Wellenform ist nicht das Ziel.

Parameterdurchläufe sind hier besonders hilfreich. Schon wenige Nanohenry mehr an Schleifeninduktivität oder eine geringfügige Verschiebung des Gate-Widerstands können den optimalen Snubber erheblich verändern. Deshalb wirken späte Korrekturen oft willkürlich. Durch frühzeitige Simulationen können Sie kleinere Schleifeninduktivitäten mit größeren Snubber-Verlusten vergleichen, bevor die Kupferverteilung auf der Leiterplatte festgelegt wird.

Häufige Fehler bei Snubbern verschleiern die Belastungen, denen die Bauteile nach wie vor ausgesetzt sind

Die meisten Fehler bei der Auswahl von Snubbern entstehen dadurch, dass man die auf dem Oszilloskop sichtbaren Signale dämpft, anstatt das zu berücksichtigen, was das Bauteil tatsächlich an seinen Anschlüssen erfährt. Eine Wellenform kann ruhiger aussehen, während der Halbleiter dennoch einer übermäßigen Spitzenspannung ausgesetzt ist, der Widerstand überhitzt oder Strom über den falschen Pfad abgeleitet wird. Gute Snubber reduzieren gleichzeitig die gemessene Belastung und das sichtbare Nachschwingen.

• Werte anhand einer Faustregel auswählen, ohne den Ring zu vermessen.
• Das Netzwerk weit entfernt von der aktiven Kommutationsschleife platzieren.
• Unter Vernachlässigung der Impulsbelastbarkeit des Widerstands und der lokalen Erwärmung.
• Den Snubber als Ersatz für die Layoutarbeit betrachten.
• Dabei wird lediglich die Wellenform überprüft, nicht jedoch die Spitzenspannung des Bauteils.

Diese Fehler sind von Bedeutung, da sie Ursache und Wirkung verschleiern. Eine Platine kann einen schnellen Prüfstandstest bestehen und dennoch bei Hochtemperaturbetrieb, höherer Busspannung oder Lastsprüngen kurz vor dem Ausfall stehen. Gute Technik entsteht dadurch, dass man Überschwingen, Dämpfung und Verluste mit dem physikalischen Regelkreis verknüpft und das Ergebnis anschließend sowohl im Modell als auch in der Hardware überprüft. SPS SOFTWARE eignet sich gut für diese Vorgehensweise, da man die Streuinduktivität direkt abbilden und den Snubber anhand der Belastung beurteilen kann, der das Bauteil tatsächlich ausgesetzt sein wird.

„Gute Dämpfer reduzieren gleichzeitig die gemessene Spannung und das sichtbare Schwingen.“