5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
lationsgrad m 0, für Gleichrichterbetrieb (Energiefluss von AC zu DC) ist der cos(j) < 0, also negativ.
Durch die symmetrische Struktur stellen sich jeweils für die IGBT und Dioden eines Umrichters
zeitverschoben identische Strom- und Spannungsverläufe ein. Somit können die Verlustleistungsbetrachtungen
auf einen IGBT und eine Diode reduziert werden. Die Umrichterverluste können
anschließend durch Multiplikation entsprechend der IGBT-/Diodenanzahl (4 - einphasig bzw. 6 -
dreiphasig) bestimmt werden. Der Unterschied zu den Berechnungen im Kap. 5.2.1.1 besteht darin,
dass auch im stationären Zustand der Schaltung Tastverhältnis, Laststrom und Sperrschichttemperatur
nicht konstant sind, sondern mit der Grundschwingungsfrequenz der AC-Seite (z.B.
50/60 Hz) variieren. Das bedeutet zeitlich veränderliche Schalt- und Durchlassverluste für IGBT
und Dioden und verlangt eine umfangreiche Erweiterung der Verlustbetrachtung. Mit exakten Ergebnissen
kann also nur in soweit gerechnet werden, wie die getroffenen Vereinfachungen zutreffen
bzw. Abweichungen noch akzeptabel sind [55].
Es wird von folgenden Vereinfachungen ausgegangen:
- Vernachlässigung der Transistor- und Diodenschaltzeiten
- Annahme zeitlich konstanter Sperrschichttemperaturen (ist bei f = ~ 50 Hz zulässig)
out
- lineare Aussteuerung
- Vernachlässigung der Schaltfrequenzwelligkeit im Wechselstrom (sinusförmiger Strom)
- f >> f sw out
Bei einem reinen Sinus/Dreieckvergleich würde die Schaltverriegelungszeit t mit f · t *V /2 an
d sw d CC
der Spannungszeitfläche der Ausgangsspannung fehlen. Ein vorgelagerter Regler würde die fehlende
Spannung durch Verlängerung der Ansteuerpulse ausregeln, damit die für den gewünschten
Strom benötigte Spannung auch am Wechselrichterausgang anliegt. Mit der Berechnung des Modulationsgrades
m aus der Ausgangsspannung entfällt t als Fehlerquelle.
d
Die klassische PWM schaltet bei der maximalen Anzahl von möglichen Kommutierungszeitpunkten
und verursacht damit auch maximale Schaltverluste. Andere Ansteuerverfahren wie z.B. die
Vektorsteuerung lassen ausgewählte Schaltvorgänge aus und haben damit geringere Schaltverluste
als mit den nachfolgenden Formeln berechnet. Mit einer Linearisierung der Ausgangskennlinie
des IGBT durch eine Ersatzgerade ergibt sich folgender Ausdruck für die zeitliche Abhängigkeit
der Sättigungsspannung v CEsat :
Unter Berücksichtigung der sinusförmigen Abhängigkeit des Tastverhältnisses von der Zeit ergeben
sich die Durchlassverluste des IGBT nach
Mit der Vereinfachung, dass die Schaltverlustenergien linear vom Kollektorstrom abhängen, lässt
sich die Gesamtschaltverlustleistung eines IGBT berechnen aus