Thyristoren bieten Überspannungsschutz bei LED-Straßenleuchten

LED-Straßenleuchten gewinnen Jahr für Jahr an Verbreitung und verdrängen die bisherigen Glühlampen oder Gasentladungslampen. Machten LED-Straßenleuchten im Jahr 2013 weltweit nur 8 Prozent der insgesamt installierten Leuchten aus, werden es 2025 voraussichtlich schon 55 Prozent sein. In Indien beispielsweise beläuft sich die durch den Umstieg auf LEDs erzielte potenzielle Energieeinsparung bei der Beleuchtung kommunaler Straßen auf mehr als 8

Bild 1: Schaltbild der Überspannungsschutzschaltung (links) und Diagramm zum Funktionsprinzip (rechts) ST Microelectronics

Terawattstunden. Auf der Grundlage dieser Erhebung rief die indische Regierung im Jahr 2015 das Street Lighting National Program (SLNP) ins Leben, um Straßenleuchten auf der Basis älterer Technik durch stromsparende LED-Leuchten mit Leistungen von 18 bis 190 W zu ersetzen. Bis heute wurden landesweit insgesamt acht Millionen Leuchten ausgetauscht, denen in den kommenden Jahren mehr als 35 Millionen weitere folgen werden. Das vom SLNP definierte Missionsprofil sieht ein qualitativ hochwertiges LED-Design mit einer Mindestlebensdauer von 50.000 Stunden vor. Außerdem müssen die Hersteller eine siebenjährige Garantie bieten.

Um diese Zuverlässigkeit zu erreichen, müssen mehrere Bedingungen hinsichtlich der Sicherheit und der elektrischen Konformität erfüllt werden. Zu den größten Herausforderungen zählt die Beständigkeit gegen Überspannungen. Das Bureau of Indian Standard verlangt für klassische LED-Treiber einen Mindestwert von 4 kV gemäß der Norm IEEE C64.41.2-2002. Angesichts der Tatsache, dass Straßenleuchten unter sehr rauen Umgebungsbedingungen – unter anderem mit einem hohen Risiko von Blitzeinschlägen – eingesetzt werden, sowie unter Berücksichtigung der recht hohen Lebensdauererwartung sollten die Treiber so ausgelegt werden, dass sie den zu erwartenden Belastungen standhalten. Um die Zuverlässigkeit der LED-Stromversorgung zu verbessern, wird in der Regel ein Überspannungstest mit 6 oder 8 kV empfohlen. ST Microelectronics schlägt die Verwendung einer Schutzeinrichtung auf Thyristorbasis vor, die sich gegenüber den derzeit als Stand der Technik geltenden Lösungen durch mehr Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Genauigkeit auszeichnet.

Umgang mit Überspannungen

Die klassische Strategie zum Umgang mit Überspannungen ist die Crowbar-Funktion. Dabei wird die Überspannung üblicherweise mithilfe eines Metalloxid-Varistors (MOV) auf einen bestimmten Wert geklemmt, um die anschließende Gleichspannung abzusichern. Die MOSFETs des verwendeten Wandlers verkraften beispielsweise meist Spannungen von maximal 800 V. Allerdings bieten MOVs nur eine eingeschränkte Zuverlässigkeit, was die maximal zulässige Leistung und die Wiederholungshäufigkeit angeht. Tatsächlich wird die Überspannungsfestigkeit von MOVs mit einer Derating-Kurve für den Maximalstrom und die Anzahl der Spannungsimpulse angegeben (Alterungseffekt). Oberhalb dieses Grenzwerts kommt es bei MOVs zu elektrischen Ausfällen mit Verschlechterungen des Leckstroms und der Klemmspannung. Sobald die Klemmspannung eines MOV unter die AC-Netzspannung abgesunken ist, beginnt er ständig zu leiten und brennt durch. MOVs werden deshalb nicht für Anwendungen empfohlen, in denen eine große Zahl starker Überspannungen auftreten kann. Nicht zuletzt sind die hohen Kosten, die der Austausch von Modulen an Straßenleuchten verursacht, ein großer Anreiz, hier Verbesserungen zu erzielen.

Zur Bewältigung der gerade skizzierten Herausforderungen schlägt ST Microelectronics eine Schaltung vor, die es neben anderen Vorteilen ermöglicht, jegliches Risiko eines durchbrennenden MOV aus Sicherheitsgründen auszuschließen. Bild 1 zeigt das Schaltbild der Lösung, deren Grundlage ein für 50 A und 600 V ausgelegter Hochtemperatur-Thyristor (beziehungsweise SCR für Silicon-Controlled Rectifier) des Typs TN5015H-6I ist. In dieser Schaltung triggert der Thyristor die Schutzfunktion, eine Transil-Diode regelt die Ansprechspannung der Schutzfunktion und der MOV absorbiert die im Spannungsimpuls enthaltene Energie. Es handelt sich bei allen Bauelementen um ab Lager lieferbare Leistungsbausteine.

Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Kommt es auf dem Wechselstromnetz zu einer blitzschlagbedingten Überspannung (zum Beispiel mit der standardmäßigen Wellenform 1,2/50 µs), so steigt die Spannung am DC-Bus der Applikation steil an. Solange die Gleichspannung unter der Durchbruchspannung der Transil-Diode bleibt, schaltet der Thyristor nicht ein. Übersteigt die Gleichspannung jedoch die Durchbruchspannung der Transil-Diode, so fließt ein Strom durch diese Diode und das Gate des Thyristors. Erreicht dieser Strom den minimal erforderlichen Gatestrom (I_GT) des Thyristors (im Fall des TN5015H-6I sind es 15 mA), so schaltet dieser ein. Hierdurch gelangt die Überspannung an den MOV, der die mit der Überspannung einhergehende Energie absorbieren kann. Der von der Belastung verursachte Überstrom, der als standardmäßiger Stromimpuls der Wellenform 8/20 µs definiert ist, fließt über den MOV und den in Reihe geschalteten Thyristor.

Hohe Überstrombeständigkeit und bessere Standby-Effizienz sind die Themen der nächsten Seite

Um diesen hohen Strom zu verkraften, weist der Thyristor eine sehr hohe Überstrombeständigkeit auf. Hierfür gibt es den eigens spezifizierten Parameter I_PP, der im Fall des TN5015H-6I 1500 A beträgt (bei einem Stromimpuls der Form 8/20 µs). Sobald der Überstrom null ist, schaltet der selbsthaltende Thyristor automatisch ab.

Bild 2 verdeutlicht die I_PP-Überstromfestigkeit des SCR TN5015H-6I. Die links gezeigte Wellenform (8/20 µs) durchfließt den Prüfling TN5015H-6I. Der maximale Gatestrom beträgt hier 350 mA (vergrößerte Darstellung des Triggerpunkts des Thyristors im rechten Bild), und die maximale nicht wiederholende Stromanstiegsrate (dI/dt)_OC ist mit 250 A/µs angegeben. Der Baustein hält der Strombelastung ohne jedes Risiko stand.

Bessere Standby-Effizienz

Zu den Vorzügen einer solchen Lösung gehören die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems, das somit die erforderliche Lebensdauer erreichen kann. Darüber hinaus verbessert die Lösung die allgemeine Standby-Effizienz des Systems und die Genauigkeit des Schutzes.

Der Sicherheitsgewinn wurde bereits demonstriert. Sollte der MOV ausfallen und die Klemmspannung deshalb unnormal niedrig sein, besteht kein Risiko, dass der MOV durchbrennt, da der mit ihm in Reihe geschaltete Thyristor abgeschaltet ist und die Eingangsspannung absperrt, sodass kein Strom durch den MOV fließt. Kommt es zum nächsten Überspannungsereignis, wird der Thyristor von der Überspannung über die Transil-Diode getriggert, woraufhin die Schutzvorrichtung nur für eine Halbwelle (nämlich bis zum nächsten Nulldurchgang) eingeschaltet wird. Durch den MOV fließt also nur für wenige Millisekunden ein Strom, sodass ein Durchbrennen ausgeschlossen ist.

Hinsichtlich der Zuverlässigkeitssteigerung ist anzumerken, dass die Applikation nach wie vor funktionsfähig ist, wenn es zu einem Ausfall eines der drei Bauelemente mit der Folge einer Stromkreisunterbrechung oder eines Kurzschlusses kommt. Dementsprechend kann die Hauptfunktion, nämlich die Beleuchtung, die gestellte Lebensdauererwartung von 50.000 Stunden erfüllen.

Mit der Lösung kann die Applikation außerdem eine höhere Standby-Effizienz erreichen. Je größer die geforderte Überspannungsfestigkeit ist, umso mehr Leistung muss der MOV verkraften. Mit der Leistung des MOV nimmt jedoch auch dessen Leckstrom zu, was sich wiederum auf die Standby-Verluste des LED-Moduls auswirkt. Der typische Leckstrom eines MOV mit 14 mm und 391 V beträgt 1,6 µA bei einer RMS-Eingangsspannung von 320 V. Wie weiter oben erläutert, kann der Leckstrom bei zunehmender Alterung und mit der Anzahl der Überspannungsimpulse ansteigen. Mithilfe eines in Reihe geschalteten Thyristors lässt sich der Leckstrom des MOV bei ansonsten gleichen Bedingungen auf 0,1 µA begrenzen, was einer Reduzierung der Standby-Verluste um den Faktor 16 entspricht. Da es sich bei dem Thyristor um einen Festkörper-Baustein auf Siliziumbasis handelt, ist sein Leckstrom stabiler und besser vorhersagbar als der eines amorphen MOV.

Genaue Kontrolle der Spannung

Auch die Genauigkeit des Schutzes ist gut definiert, da die maximale Gleichspannung, die an die nachfolgende LED gelangt, gleich der Durchbruchspannung der Transil-Diode vor dem Triggern des Thyristors entspricht. Bei der Transil-Diode des Typs BZW04-376 von ST Microelectronics beträgt diese Spannung beispielsweise 603 V bei einem Strom von 0,8 A . Nach dem Triggern des Thyristors liegt an der folgenden Schaltung maximal die MOV-Klemmspannung in der Überstromsituation. In allen Fällen bleibt die genaue Kontrolle der Spannung erhalten, um jedes Beschädigungsrisiko auszuschließen – speziell für den Fall, dass die Spannung höher ist als die Nennspannung der MOSFETs im Schaltnetzteil (in Bild 1 mit V_DC angegeben).

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