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1 Betriebsweise von Leistungshalbleitern
1 Betriebsweise von Leistungshalbleitern
1.1 Grundlagen für den Betrieb von Leistungshalbleitern
Leistungshalbleiter arbeiten bis auf wenige Sonderanwendungen im Schalterbetrieb. Daraus resultieren
grundlegende Prinzipien und Funktionstypen, die in allen leistungselektronischen Schaltungen
vorzufinden sind. Zielstellung jeder Entwicklung und Applikation von Leistungshalbleitern
ist die Annäherung an eine möglichst verlustarme Betriebsweise.
Ein Schalter in einem induktivitätsbehafteten Zweig kann aktiv, d.h. zu jedem beliebigen Zeitpunkt
einschalten. Bei unendlich kurzer Schaltzeit treten keine Verluste im Schalter auf, weil die Differenzspannung
sofort über der Zweiginduktivität abfallen kann. Bei fließendem Strom ist ein Ausschalten
ohne Energieumsatz nicht möglich, da die in L gespeicherte Energie abgebaut werden
muss. Der Schalter kann aus diesem Grund ohne Energieumsatz nur bei i = 0 ausschalten. Man
S
spricht in diesem Fall von einem passiven Ausschalten, weil der Schaltzeitpunkt vom Stromverlauf
im Schalterzweig bestimmt ist. Ein Schalter, der ausschließlich diesen Schaltbedingungen unterliegt,
wird als ZCS (Zero-Current-Switch) bzw. Nullstromschalter bezeichnet.
Eine eingeprägte Spannung direkt über den Klemmen eines Schalters führt dazu, dass ein Einschalten
nur bei v = 0 ideal, d.h. verlustfrei erfolgen kann. In diesem Fall liegt ein passives Ein-
S
schalten vor, da der Spannungsverlauf am Schalter und damit auch der Nulldurchgang der Schalterspannung
durch das äußere Netzwerk bestimmt sind. Ein aktives Ausschalten ist dagegen
zu jedem beliebigen Zeitpunkt möglich. Schalter, die nach diesen Schaltbedingungen arbeiten,
werden ZVS (Zero-Voltage-Switch) bzw. Nullspannungsschalter genannt.
Bild 1.1.1 zeigt den Spannungs- und Stromverlauf an den Schaltern während der genannten elementaren
Schaltvorgänge. Unter Beachtung realer Leistungshalbleiter als Schalter ergeben sich
folgende Verhältnisse. Beim aktiven Einschalten liegt zuvor über dem stromübernehmenden Halbleiter
positive Spannung an. Damit die Spannung abnehmen kann, muss - über den Steueranschluss
ausgelöst - der Strom mit einem von der Einschaltcharakteristik des Leistungshalbleiters
vorgegebenen Anstieg fließen. Sowohl die Einschaltcharakteristik als auch die wirksame Reiheninduktivität
begrenzen den Stromanstieg und damit auch die Spannungsaufteilung im Stromkreis
zwischen Leistungshalbleiter und Induktivität. Bei vorgegebenem Leistungshalbleiter wird dieser
mit steigendem Induktivitätswert von Einschaltverlusten bis auf einen nicht mehr zu unterschreitenden
Grenzwert entlastet.
Während des passiven Ausschaltvorganges eines in positiver Richtung stromführenden Leistungshalbleiters
sinkt der Strom aufgrund der Polarität der Spannung im äußeren Stromkreis auf
den Wert Null ab. Die im Halbleiter zu diesem Zeitpunkt noch gespeicherten Ladungsträger lassen
den Strom in negativer Richtung als Rückstrom weiterfließen, bis der Halbleiter seine Sperrfähigkeit
wiedererlangt, um dann die negative Spannung des Stromkreises aufzunehmen (reverse
recovery).
Ein aktiver Ausschaltvorgang eines stromführenden Leistungshalbleiters bewirkt zunächst einen
über den Steueranschluss ausgelösten Spannungsanstieg in positiver Richtung (Ausschaltcharakteristik).
Eine wirksame Parallelkapazität an den Schalterklemmen kann daraufhin den Strom
in der Geschwindigkeit übernehmen, welche die Ausschaltcharakteristik des Leistungshalbleiters
vorgibt. Bei vorgegebenem Leistungshalbleiter reduziert sich mit steigendem Kapazitätswert die
während des Ausschaltvorganges umgesetzte Verlustenergie (Ausschaltentlastung).
Ein passiv einschaltender Leistungshalbleiter führt vor dem Schaltvorgang eine negative Spannung.
Wird diese Spannung aufgrund der Vorgänge im äußeren Stromkreis positiv, übernimmt der
Leistungshalbleiter in positiver Richtung Strom, der bei zu großem Anstieg zu einer Einschaltüberspannung
(forward recovery) führen kann.
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