Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

7 Software als Dimensionierungshilfe
7.2.2 Zustandsmodelle
Für einfache Verlustleistungs- und Temperaturberechnungen kann das Online-Simulationstool
SemiSel genutzt werden. Bei Notwendigkeit können aber auch einfach aus Datenblattangaben
Zustandsmodelle erstellt werden. Diese Modelle nutzen statische Kennlinien und Gleichungen
bzw. „Look-up tables“ für Schaltverluste und Schaltzeiten. Sie sind für alle Simulatoren geeignet,
welche Zustandsgraphen unterstützen [81], [82], [83]. Auf Anfrage unterstützt SEMIKRON die Anwender
gern bei der Zusammenstellung der Datensätze für die Modelle. Die Modelle sind nicht
geeignet um Schaltvorgänge zu untersuchen, sie haben ideale Schaltflanken, deshalb dürfen keine
parasitären Induktivitäten in der Simulationsschaltung berücksichtig werden.
Turn-on Delay Conducting Gate:=0
Am1
V CE :=V CE0 +r CE *I C
Delay:=t on
P IGBT :=E on (I C ,V CC ,T j )/t on
P IGBT :=I C *V CE
P FWD :=I F *V F
Gate
P FWD :=E rr *(I F ,V CC ,T j )/t on
I C :=I Am1
V CC
I out
Blocking
Delay
Turn-off
Vm1
V F :=V F0 +r F *I F
Gate:=1
P IGBT :=I C *V CE
P FWD :=I F *V F
I F :=I Am2
Delay:=t off
P IGBT :=E off (I C ,V CE ,T j )/t off
Am2
V CE :=V CC
a) b)
Bild 7.2.1 Halbleitermodellierung mit Zustandsmodellen; a) Zustandsbeschreibung; b) Elektrische Ersatzschaltung
Ein solches Modell besteht aus einem „idealen“ Schalter mit einem logischen Ansteuersignal
(“Gate“=1/0 in Bild 7.2.1), für den in 4 verschiedenen Zuständen die Verlustleistungen berechnet
werden. Im dargestellten Beispiel haben die Zustände (Kreise) die Namen der IGBT-Schaltzustände.
Wird eine Übergangsbedingung (Strich) wahr, z.B. wenn das Signal „Gate“ „=1“ gesetzt wird,
wandert der markierte, aktive Zustand zum nächsten. Im Beispiel würde der Marker vom Zustand
„Blocking“ zum Zustand „Turn-on“ wandern. Während dieses Zustandes werden Schaltverluste
verursacht, in dem Fall Einschaltverluste für den IGBT und Ausschaltverluste für die Diode. Nach
einer Verzögerungszeit „t on
“ wandert der Marker in den nächsten Zustand „Conducting“ in dem
Leitverluste entstehen. Diese werden fortlaufend aus dem Schaltungsstrom und der Durchlassspannung
des IGBT berechnet. Die Durchlassspannung kann in Form einer Kennlinie oder mit
Hilfe einer Ersatzgerade abgelegt oder dem Bauelement zugeordnet werden. Wird das Ansteuersignal
auf „0“ gesetzt, geht das Bauelement in den Zustand „Turn-off“ über, in dem Ausschaltverluste
entstehen. Nach einer Verzögerungszeit t off
geht der IGBT wieder in den Ausgangszustand
„Blocking“ über, in dem die Leitverluste der Diode berechnet werden. Damit ist der Schaltzyklus
abgeschlossen. Die Schaltverluste können ebenfalls als Kennlinie abgelegt werden und für die
aktuellen Schaltungsparameter ausgelesen werden. Im einfachen Fall werden die Gleichungen
der Schaltenergien aus Kapitel 5.2.1 verwendet, da die Abhängigkeiten von der Sperrschichttemperatur
und der Zwischenkreisspannung nicht als Kennlinien im Datenblatt verfügbar sind.
E
E E
E on E
E on
on
E off
E off
E off
E rr
E rr
E rr
I C
T j
V CC
Bild 7.2.2 Beispiel der Abhängigkeiten der Schaltverluste von I C
,T j
und V CC
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