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1 Betriebsweise von Leistungshalbleitern
Die Eigenschaften eines kompletten Schalters resultieren einerseits aus dem Verhalten der Leistungshalbleiter,
welches durch das Design der Halbleiterchips auf die Betriebsweise des gesamten
Schalters eingestellt werden muss. Andererseits verleiht die Ansteuerschaltung dem Gesamtschalter
die Haupteigenschaften und übernimmt wesentliche Schutz- und Diagnosefunktionen.
Grundtypen leistungselektronischer Schalter
Die Betriebsweise der Leistungshalbleiter, die auch eindeutig die dominanten Eigenschaften der
Schaltungen bestimmt, in denen sie arbeiten, führt zu den nachfolgend beschriebenen Grundtypen
der leistungselektronischen Schalter. Deren Hauptrichtungen von Spannung und Strom resultieren
eindeutig aus den Anforderungen in der konkreten Schaltung, insbesondere aus den
eingeprägten Strömen und Spannungen an den Kommutierungskreisen.
Hartschalter (HS)
Ein Einzelschalter, der im Wechsel sowohl hart einschaltet als auch hart ausschaltet, ist bis auf den
theoretischen Grenzfall rein ohmscher Last nur in einem Kommutierungskreis mit minimalen passiven
Energiespeichern (C K,min
; L K,min
) gemeinsam mit einem neutral schaltenden Leistungshalbleiterschalter
einsetzbar. Während der neutrale Schalter mit keinem Steuerfreiheitsgrad ausgestattet
ist, können dem Hartschalter in Form der frei vorgegebenen Ein- und Ausschaltzeitpunkte zwei
Steuerfreiheitsgrade zugeordnet werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Gesamtschaltung
mit dem Steuerverfahren „Pulsweitenmodulation (PWM; pulse width modulation)“ zu betreiben.
Derartige Topologien dominieren die in der industriellen Praxis eingesetzten Stromrichterschaltungen.
Bild 1.2.3 zeigt die möglichen Schalterkonfigurationen (in IGBT-Technik) und Kommutierungskreise.
Typische Schaltungsbeispiele sind der dreiphasige Spannungswechselrichter (VSI, voltage
source inverter) bzw. Stromwechselrichter (CSI, current source inverter). Bei den symmetrischen
Schalteranordnungen arbeitet jeweils nur einer der alternierend stromführenden Schalter aktiv mit
zwei Freiheitsgraden während der andere neutral schaltet.
S 1
S 1
i L
i L
V K
V K
=
S 2 S 2
S 1
S 1
i L i L
V K V K
=
S 2
S 2
i L
(i
DC)
S 1
S 1
S 2
v K
(v
DC)
i L
(i
AC)
v K
(v
AC)
S 2
Voltage Source Inverter (VSI)
Bild 1.2.3 HS Kommutierungskreise und typische Schaltungsbeispiele
Current Source Inverter (CSI)
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