Untitled - vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich

10 8
VA
10 6
10 4
10 2
Nennleistung des Stromrichters
10 1
GTO
10 2
10 3
IGBT
Bipolartransistor
MOSFET
10 4
10 5
3.1 Schaltelemente der selbstgeführten Stromrichter 35
Schaltfrequenz
10 6 Hz
Bild 3.3.
Einsatzbereiche von abschaltbaren
Halbleitern
Es ist ersichtlich, dass sich die Bereiche stark unterscheiden: der MOSFET als schnellstes
Element ist geeignet für hohe Schaltfrequenzen bis gegen 1MHz. Er ist aber nur in
Stromrichtern bis zu einigen kVA Leistung und eher niedriger Spannung einsetzbar. Der
verhältnismässig langsame GTO kommt in Anlagen sehr grosser Leistung zum Zuge, darf
dafür aber nur mit wenigen 100Hz geschaltet werden. Der Bipolartransistor und der IGBT
liegen in bezug auf beide Parameter zwischen MOSFET und GTO. Der IGBT mit seinem
erweiterten Arbeitsbereich (Safe Operating Area, SOA) löst dabei den älteren Bipolartransistor
sukzessive ab. Bei der Betrachtung der Steuerverfahren für die Stromrichter
spielt die zulässige Schaltfrequenz für die Halbleiter eine zentrale Rolle. Sie beeinflusst
massgeblich, wie gut die Kurvenformen der Spannungen und Ströme am Stromrichter ihren
idealen Sollwerten angenähert werden können.
Reales Schaltverhalten: Die Einschränkung der Schaltfrequenz hängt bei allen Halbleitern
damit zusammen, dass sie nicht in der Lage sind, verzögerungsfrei und vor allem beliebig
schnell zu schalten. Bild 3.2 rechts zeigt die typischen Verläufe von Spannung und
Strom in einem realen Schalter. Einerseits sind die Schaltflanken gegenüber dem Steuersignal
verzögert und andererseits weisen sie eine endliche Steilheit auf. Die typischen
Verzögerungszeiten t d,ein bzw. t d,aus beim Ein- und Ausschalten der verschiedenen Halbleiter
sind der Tabelle 3.1 zu entnehmen. Beim Schalten entstehen kurzzeitig erhebliche
Verluste im Halbleiter. Die mittlere Verlustleistung im realen Schalter setzt sich zusammen
aus den Durchlassverlusten, welche im eingeschalteten Zustand auftreten und den
Schaltverlusten. Letztere sind proportional zur Schaltfrequenz.
Der GTO und der Bipolartransistor müssen zusätzlich mit einem Entlastungsnetzwerk
versehen werden, das die Belastung des Elementes beim Schalten reduziert und einen Teil
der Verluste übernimmt. Diese Netzwerke sind im Vergleich zum Halbleiter voluminös
und teuer. Sie sind funktionell als fester Bestandteils des Schalters zu betrachten.
Die hohen Verlustspitzen, die in den Schaltmomenten im Halbleiter auftreten, schränken
nicht nur die mittlere Schaltfrequenz ein, sondern bewirken auch, dass zwischen den
einzelnen Schalthandlungen ein minimales Zeitintervall liegen muss. Nur so kann sich der
Halbleiter thermisch genügend regenerieren. Derartige Effekte können mit Hilfe von thermischen
Ersatzmodellen studiert werden. Die sich ergebenden minimalen Pulsweiten, das
heisst die Zeitintervalle zwischen zwei Schaltvorgängen, sind ebenfalls in Tabelle 3.1 an-