Utilizzo di diodi TVS asimmetrici per proteggere i circuiti critici da transitori di tensione distruttivi

Le ripercussioni dei picchi di tensione o delle sovracorrenti transitorie sui circuiti elettronici possono essere solo fastidiose o anche catastrofiche. Questi transitori possono essere causati ad esempio da fulmini e scariche elettrostatiche o induttive (Figura 1).

Figura 1: I transitori possono essere dovuti a fenomeni come fulmini e scariche elettrostatiche o induttive e sono in grado di distruggere i dispositivi elettronici privi di protezione. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse Inc.)

Transitori come questi possono generare impulsi con tensioni di picco da centinaia a decine di migliaia di volt, correnti nell'ordine dei kiloampere e possono durare da centinaia di nanosecondi a millisecondi.

La miniaturizzazione dei circuiti integrati e dei processori e la riduzione delle tensioni di alimentazione hanno aumentato la sensibilità ai transitori elettrici, specie nel caso di veicoli in cui più sistemi elettronici controllano tutto, inclusi motore, sterzo, frenata, climatizzazione e intrattenimento.

Per proteggere i circuiti sensibili sono state sviluppate diverse strategie di progettazione, tra cui cablaggi schermati, filtri, crowbar e dispositivi di clamping. La schermatura e il filtraggio utilizzano progetti passivi, mentre le protezioni a crowbar e clamping utilizzano meccanismi attivi. I dispositivi crowbar come spinterometri, tubi a scarica di gas e tiristori deviano i transitori a terra per proteggere i circuiti. Quando il crowbar è attivo, il dispositivo protetto non funziona ma diventa operativo una volta che il transitorio si attenua.

I dispositivi di clamping includono varistori metallo-ossido (MOV), diodi Zener e diodi a valanga di soppressione della tensione transitoria (TVS) che mantengono una tensione costante attraverso il dispositivo protetto variando la loro impedenza. Queste tecniche possono essere utilizzate singolarmente o congiuntamente. Per tempi di risposta brevi e l'elevata dissipazione di potenza, i diodi TVS sono di gran lunga i dispositivi di clamping preferiti.

Diodi di soppressione di tensioni transitorie

Il TVS è un diodo a valanga che funge da dispositivo di clamping che devia la corrente in eccesso quando la tensione applicata supera la sua tensione di rottura a valanga, mantenendola o bloccandola a un potenziale costante. Si ripristina automaticamente quando la tensione applicata scende al di sotto del valore di rottura.

I diodi TVS sono disponibili come dispositivi unidirezionali che proteggono dai transitori di un'unica polarità e dispositivi bidirezionali che proteggono dai transitori di entrambe le polarità (Figura 2). I componenti bidirezionali possono essere simmetrici, attuando il clamping della stessa ampiezza di tensione di qualsiasi polarità oppure possono essere asimmetrici, attuando il clamping a diversi livelli di tensione a seconda della polarità del transitorio.

Figura 2: Caratteristiche di rottura della corrente-tensione dei tre tipi di dispositivi TVS e relativi simboli schematici. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse Inc.)

Il diodo TVS unidirezionale funziona come un semplice diodo: conduce quando è a polarizzazione diretta e non conduce quando è a polarizzazione inversa, finché non viene superata la tensione di rottura del diodo (V_BR). Quando la tensione applicata supera V_BR, il diodo conduce, mantenendo la tensione che lo attraversa a quella di clamping (V_C). Il diodo può dissipare una potenza massima della corrente impulsiva di picco (I_PP) x V_C.

Il diodo TVS bidirezionale funziona come due diodi in opposizione di fase. Una piccola corrente di dispersione inversa (I_R) fluisce finché in una delle due direzioni non viene superata la tensione di rottura (V_BR). Il funzionamento è simmetrico in quanto la grandezza della tensione di rottura in entrambe le condizioni di polarizzazione è la stessa.

Il diodo TVS asimmetrico funge da dispositivo bidirezionale, ma le tensioni di rottura (V_BR1 e V_BR2) sono diverse.

Il diodo TVS asimmetrico

Perché il diodo TVS asimmetrico è necessario? Questi componenti sono stati progettati per proteggere i gate driver sui MOSFET in carburo di silicio (SiC). Data l'elevata velocità dei commutatori SiC, questi driver sono soggetti ai danni causati dai transitori di sovratensione. Prendiamo l'esempio di un MOSFET SiC per la ricarica a bordo o di un inverter di trazione (Figura 3).

Figura 3: Il TVS asimmetrico TPSMB1505CA protegge il gate driver di un commutatore MOSFET SiC. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse Inc.)

Il TVS asimmetrico TPSMB1505CA di Littelfuse è utilizzato per proteggere il gate driver del MOSFET. Il gate driver ha due stati: lo stato ON ha una tensione di gate compresa tra -5 e +10 V, mentre lo stato OFF aziona il gate a meno di -10 V. TPSMB1505CA ha una tensione di rottura nominale dal catodo (K) all'anodo (A) tra 16,7 e 18,5 V con una tensione di tenuta all'impulso di 24,4 V. L'I_pp in questa direzione è di 24,6 A per una durata dell'impulso transitorio tra 10 e 1000 ms.

La tensione di rottura da A a K per il TVS è compresa tra 6,8 e 7,4 V, con una tensione di clamping massima di 11,5 V. La corrente impulsiva di picco in questa direzione è di 60 A per la stessa durata dell'impulso transitorio da 10 a 1000 ms. Tenere presente che ciò viene fatto con un singolo componente. Per ottenere questo funzionamento asimmetrico con dispositivi separati servirebbero diversi componenti.

I diodi TVS asimmetrici serie TPSMB di Littelfuse (Figura 4) includono due componenti aggiuntivi che hanno tensioni di rottura da K ad A diverse. TPSMB1805CA offre un intervallo della tensione di rottura da K ad A tra 20,0 e 21,1 V con una tensione di clamping massima di 29,2 V. Il valore nominale I_pp è di 20,6 A per una durata dell'impulso tra 10 e 1000 ms. L'intervallo di rottura da A a K è identico a quello del modello TPSMB1505CA (da 6,8 a 7,4 V).

Figura 4: I dispositivi asimmetrici TPSMB sono forniti in un contenitore DO-214AA a montaggio superficiale e il loro lato K è contrassegnato da una barra incisa. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse Inc.)

TPSMB2005CA ha un intervallo di tensione di rottura da K ad A tra 22,2 e 24,5 V e una tensione di clamping massima di 32,4 V. Il valore nominale I_pp è di 18,6 A per la stessa durata dell'impulso degli altri diodi. L'intervallo di rottura da A a K è identico a quello del modello TPSMB1505CA.

Tutti e tre i diodi TVS hanno una potenza impulsiva di picco di 600 W per durate della forma d'onda tra 10 e 1000 ms e sono tutti qualificati AEC-Q101 per il settore automotive. Sono alloggiati in un contenitore a montaggio superficiale DO-214AA per ottimizzare lo spazio su scheda e consentire di posizionare i diodi vicino ai contatti del circuito per assicurare la migliore protezione possibile. Una barra incisa sul contenitore indica il lato K del dispositivo.

Conclusione

Le serie TVS simmetriche e asimmetriche TPSMB sono ideali per proteggere i circuiti elettronici sensibili dai transitori di tensione causati da fulmini e scariche elettrostatiche o induttive. I dispositivi asimmetrici TPSMB sono particolarmente idonei per proteggere i gate driver dei commutatori SiC veloci in cui un singolo componente TVS copre i livelli di pilotaggio sia dell'accensione che dello spegnimento.