Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
Der Laststrom kann schnell vom IGBT in den parallelen D-C-Zweig kommutieren, wodurch der Kollektorstrom
bei gleichzeitig reduzierter Anstiegsgeschwindigkeit der Kollektor-Emitter-Spannung
sinkt.
Das führt zur Absenkung der Ausschaltverluste im IGBT. Die Verläufe von Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung
entsprechen dann der Darstellung für das weiche Schalten im Kap. 1.
In Kap. 5.9.3 wird gezeigt, dass der mit einem bestimmten Kapazitätswert erreichbare Entlastungseffekt
stark von der konkreten Transistortechnologie abhängt.
Am Ende der Spannungskommutierung schaltet die Freilaufdiode verlustarm ein und übernimmt den
Strom von der Beschaltungskapazität.
Ab dem nächsten Einschalten des IGBT wird die in der Beschaltungskapazität gespeicherte Energie
vorwiegend im Widerstand R in Wärme umgesetzt.
Auslegungshinweise:
1. Beschaltungskapazität nicht größer als für Entlastung notwendig dimensionieren
2. schnelle Beschaltungsdiode mit niedriger Einschaltüberspannung (forward recovery)
verwenden
3. impulsfeste Kondensatoren (MKP o.ä.) mit niedriger Eigeninduktivität einsetzen
4. Schleifeninduktivität im Beschaltungsnetzwerk minimieren
5. R und C bilden die Zeitkonstante (t = R*C) für den Energieabbau in der Kapazität. Daraus ergibt
sich eine minimale Einzeit für den IGBT (Tastverhältnisbegrenzung), um eine voll wirksame
Ausschaltentlastung zu realisieren (keine Restspannung mehr in C). Eine Verkleinerung
von R bedeutet zwar zum einen eine Verkürzung der Mindest-Einzeit des IGBT, führt aber
zum anderen zu einer höheren Strombelastung und damit höheren Verlusten beim Einschalten
des Transistors.
Eine Vergrößerung der induktiven und kapazitiven Beschaltungselemente führt in jedem Fall zur
Verlängerung der Kommutierungszeit!
Bei Anwendung der oben beschriebenen einfachen Beschaltungsnetzwerke wird die gesamte gespeicherte
Energie hauptsächlich im Beschaltungswiderstand aber auch zu einem Teil im Transistor
in Wärme umgesetzt (dissipative snubber). Damit ist trotz Schalterentlastung keine Verbesserung
des Gesamtwirkungsgrades der Schaltung zu erzielen. Die Maßnahme führt lediglich zu
einer Verlagerung der Verluste vom Leistungshalbleiter zum Beschaltungswiderstand und ermöglicht
damit höhere Schaltfrequenzen.
Daneben sind aus der Literatur eine Vielzahl verlustarmer Beschaltungsnetzwerke bekannt (nonoder
low-dissipative snubber), bei denen die Energie in Schwingkreisen gespeichert oder in den
Zwischenkreis zurückgespeist wird. Derartige Schaltungen sind allerdings oft kompliziert in der Dimensionierung
sowie schaltungstechnisch und konstruktiv aufwendig. [72].
5.9.3 Weiches Schalten / Soft Switching
5.9.3.1 Beanspruchung der Leistungshalbleiter
Das weiche Schalten ist eine weitere Möglichkeit der Verlustreduzierung in leistungselektronischen
Schaltern.
Unter dem Begriff „weiches Schalten, soft switching” wird im eigentlichen Sinne der Betrieb leistungselektronischer
Schalter als Zero-Voltage-Switch (ZVS, Nullspannungsschalter) bzw. Zero-Current-Switch
(ZCS, Nullstromschalter) verstanden (s. Kap. 1).
Die nach diesen Prinzipien arbeitende Vielzahl von Stromrichterschaltungen wird allgemein der Resonanz-
bzw. Quasiresonanztechnik zugeordnet.
ZVS (Bild 5.9.3):
--
Kommutierung beginnt mit einem aktiven Ausschaltvorgang, entlastbar durch parallel zum Schalter
angeordnete Entlastungs-/Kommutierungskapazität C K
,
--
Kommutierung endet mit einem passiven, verlustarmen Einschaltvorgang bei einer Schalterspannung
v s
≈ 0,
--
vor dem nächsten Kommutierungsvorgang polt sich die Stromrichtung im eingeschalteten Schal-
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