Power-Tipp Kaskadierte ideale Dioden lösen Stromversorgungs-Probleme in 48-V-Elektrofahrzeugen

48-V-Systeme bringen neue Herausforderungen für die redundante ORing-Versorgung in Stromverteilungsstufen. Im Tipp wird eine kaskadierte Konfiguration mit idealen Dioden mit einem Transienten-Klemmennetzwerk für den Erdungspfad vorgestellt. Dies ermöglicht ein Systemdesign mit für 60 V ausgelegten FETs und eine ausreichende Spannungsreserve für Schalttransienten.

Die Ergänzung von 48-V-Bordnetzen zu den konventionellen 12 V bringt grundlegende Änderungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit sich. Unter anderem werden bei zonalen Architekturen die elektronischen Baugruppen nach ihrer Lage im Fahrzeug und nicht nach ihrer Funktion gruppiert. Weniger Komplexität und mehr Modularität sind die Vorteile für OEM.

Eine Lösung für die redundante Stromversorgung von Zonen-Steuermodulen sind ideale Dioden, die eine „Oder“-Verknüpfung von Stromversorgungen ermöglichen und hierbei Schutz vor Rückströmen und Verpolung bieten. Nachteilig ist, dass die derzeit angebotenen Ideal-Diode-Controller nur für maximal 72 V ausgelegt sind, was ihren Einsatz in bestimmten 48-V-Systemdesigns einschränkt.

Bildergalerie

Bild 1 illustriert die Situation bei der „Oder“-Verknüpfung zweier Stromversorgungen, wenn an V_IN1 eine Verpolung auftritt und der Verbraucher allein von V_IN2 gespeist wird. Zwischen den Pins CATHODE und ANODE des Controllers LM74700D-Q1 kann in diesem Fall eine Spannungsdifferenz von 108 V auftreten, was den absoluten Maximalwert von 75 V weit übersteigt. Zudem müssen die MOSFETs mindestens für 120 V ausgelegt sein, wodurch sie deutlich teurer und schwieriger zu beziehen sind als 60-V-Versionen.

Überspannungen in Kfz-Bordnetzen

Durch das Abschalten von Verbrauchern und andere Schaltvorgänge kann es in Kfz-Bordnetzen zu Überspannungen kommen. Die Normen ISO 21780 und LV 148 spezifizieren hierfür das Profil E48-02 (transiente Überspannung), das auf 70 V ansteigt und dort 40 ms (oder sogar 100 ms) verbleibt.

Der jeweilige Prüfling muss seine Funktionalität hierbei uneingeschränkt aufrechterhalten. Direkt an 48 V angeschlossene ICs sollten also unter allen Umständen 70 V verkraften, bei Einbeziehung von Schalttransienten und Bauteiltoleranzen jedoch deutlich mehr. Bei den für 72 V ausgelegten Ideal-Diode-Controllern bleiben somit nur geringe Reserven.

Eine Lösung wäre, einen einzigen Controller vom Typ LM74700D-Q1 zu nutzen, verbunden mit einer Zener-Klemmschaltung zur Begrenzung der Spannungsdifferenz zwischen den Pins CATHODE und ANODE auf unter 75 V. Auch hier geht es jedoch nicht ohne MOSFETs mit einer Nennspannung von 120 V. Außerdem beeinflusst der Widerstand in der Zener-Klemmschaltung die Rückstrom-Ansprechschwelle.

Schaltungen mit idealen Dioden und 60-V-FETs

Besser geeignet ist stattdessen eine Schaltung aus zwei Ideal-Diode-Controllern, bei der die beiden MOSFETs Q1 und Q2 in Serie geschaltet sind (Bild 2). Die Klemmschaltungen der Controller limitieren hier nicht nur die Spannungsdifferenz zwischen den CATHODE- und ANODE-Pins, sondern sorgen bei Fehlern außerdem für eine gleichmäßige Spannungsaufteilung zwischen Q1 und Q2.

Da die beiden MOSFETs in dieser Konfiguration mit Spannungen von höchstens 54 V konfrontiert werden, können bestehende Bausteine mit einer Nennspannung von 60 V eingesetzt werden. Wie aus Bild 2 ersichtlich ist, enthält die Schaltung auch das aus D_C, Q3, R_B und D_B bestehende Netzwerk zum Klemmen von Transienten, die die absolute Maximalspannung des LM74700D-Q1 übersteigen würden.

Im Normalbetrieb entspricht die Potentialdifferenz zwischen Chip- und Systemmasse genau dem U_BE-Wert von Q3. Sobald V_IN jedoch die Durchbruchspannung (U_BR-DC) der Diode D_C überschreitet, fällt am Transistor Q3 eine Spannung ab, wodurch das Potenzial der Chipmasse angehoben wird.

Dies trägt dazu bei, die Spannung zwischen den Pins ANODE und GND des LM74700D-Q1 auf einen Wert nahe der Durchbruchspannung von D_C zu begrenzen und ermöglicht damit eine skalierbare Lösung zum Umgang mit Transienten. Die Diode D_B dient dazu, den Rückstrompfad bei verpolter Eingangsspannung zu sperren.

Insgesamt bietet die Lösung mit zwei kaskadierten Ideal-Diode-Controllern auch mit 60-V-FETs ausreichend Reserven zur Bewältigung von Schalttransienten, sodass in 48-V-Bordnetzen eine zuverlässige „Oder“-Verknüpfung von Stromversorgungen möglich ist. (kr)

* Shiven Dhir und Rakesh Panguloori sind Applikationsingenieure bei Texas Instruments in Dallas / USA.

(ID:50913924)