Untitled - vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich

320 17 Nichtidealitäten im Modulator und im Leistungskreis
Vorzeichen und Betrag des Spannungsabfalls über dem Schalter sind stromabhängig. Verschiedene
Modellierungen der Kombination Leistungshalbleiter mit der zugehörigen antiparallelen
Diode zeigt Bild 17.8:
- Schaltung a modelliert einen MOSFET. Der Drain-Source-Widerstand r DS beschreibt
den FET in Vorwärtsrichtung. Die antiparallele Diode kann relativ genau durch die
Spannungsquelle u DF und den differentiellen Widerstand r Dd nachgebildet werden. Die
idealen Dioden (U F =0) D 1 und D 2 leiten den Strom entsprechend seiner Polarität entweder
durch die FET- oder die Diodenersatzschaltung.
- Für die Untersuchung des Einflusses des Leitspannungsabfalls kann das Modell noch
etwas vereinfacht werden, indem der differentielle Widerstand der Diode weggelassen
wird. Das führt zur Ersatzschaltung gemäss Figur b.
- Schaltung c beschreibt bipolare Halbleiter. Diese lassen sich in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung
durch Spannungsquellen und differentielle Widerstände, darstellen.
- Auch das Modell für bipolare Halbleiter lässt sich entsprechend Schaltung d vereinfachen,
indem die differentiellen Widerstände weggelassen werden.
Die beiden Modelle b und d sind für die Betrachtung des Einflusses, welcher der Leitspannungsabfall
auf die Stromrichterspannung hat, genügend genau.
D 1
r DS
D 2
D 1
D 2
uS u u
DF
S
uDF rDS uSF uDF uSF u
rDd rSd r DF
Dd
a) iS b) c) iS d)
Bild 17.8. Leitspannungsabfall bei Leistungshalbleitern,
Schaltungen a und b: Modelle für einen MOSFET,
Schaltungen c und d: Modelle für bipolare Halbleiter (IGBT, GTO, Bipolartransistor)
Die Verfälschung der Ausgangsspannung durch die Spannungsabfälle über dem Leistungshalbleiter,
respektive der antiparallelen Diode, zeigt Bild 17.9 links. Um die Verhältnisse
zu illustrieren sind die Spannungsabfälle sehr gross gewählt: 0.15U d/2 für den abschaltbaren
Halbleiter und 0.1U d/2 für die Diode. Im dargestellten Beispiel eilt der idealisierte
Phasenstrom der Grundschwingung der Mittelpunktspannung um π/2 nach. Haben
Strom und Schaltfunktion das gleiche Vorzeichen, so leiten die abschaltbaren Elemente.
Der Betrag der Ausgangsspannung wird dabei um den Spannungsabfall über diesem Element
reduziert. Sind die Vorzeichen von Schaltfunktion und Strom unterschiedlich, so leiten
die Dioden und der Betrag der Ausgangsspannung steigt um die Flussspannung der
Diode. Dieses Verfälschen der Mittelpunktspannung ergibt niederfrequente Verzerrungen
im Spannungsspektrum. Für typische Werte der Spannungsabfälle sind die Verzerrungen
aber relativ klein.
Für einen Spannungsabfall von 0.01U d/2 für den abschaltbaren Halbleiter und die Diode,
und einer Schaltzahl von q=21, ist das resultierende Spektrum in Bild 17.9 rechts dargestellt.
D 1
D 2
D 1
D 2