Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
In den Datenblättern sind meist die Kleinsignalkapazitäten C ies
, C res
und C oes
des ausgeschalteten
Transistors aufgeführt (siehe Tabelle 2.4.2).
Eingangskapazität
Rückwirkungskapazität (Millerkapazität)
Ausgangskapazität
IGBT
C ies
= C GE
+ C GC
C res
= C GC
C oes
= C GC
+ C CE
Tabelle 2.4.2 Definition der Kleinsignalkapazitäten eines IGBT
Zur Berechnung des Schaltverhaltens sind diese Angaben nur sehr eingeschränkt nutzbar, da z.B.
Eingangs- und Rückwirkungskapazität im durchgesteuerten Transistor (V CE
< V GE
) stark ansteigen.
Zur näherungsweisen Bestimmung der Schaltzeiten und des Gateladungsbedarfes wird deshalb
das in den Datenblättern enthaltene Gateladungsdiagramm entsprechend Bild 2.4.7 genutzt, Erklärungen
hierzu s. Kap. 3.3.3.
Nachstehend wird das Schaltverhalten von IGBT beim harten Schalten ohmsch-induktiver Lasten
mit nichtlückendem Laststrom qualitativ betrachtet, d.h. die Lastzeitkonstante L/R ist viel größer
als die Periodendauer 1/f der Schaltfrequenz.
Bild 2.4.6a) zeigt die grundsätzlichen Verläufe von Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung
in Abhängigkeit von der Gate-Steuerspannung V GE
, Bild 2.4.6b) den prinzipiellen Arbeitspunktverlauf
beim harten Ein- und Ausschalten als Graph i c
= f(v CE
). Da das Verhalten von Leistungs-
MOSFET hier nur in wenigen Bereichen abweicht, bezieht sich Bild 2.4.6b) auf beide Bauelemente
– die MOSFET-Besonderheiten werden in Kap. 2.4.3.2 erklärt.
Charakteristisch für das „harte Schalten“ ist, dass während des Ein- und Ausschaltens kurzzeitig
sowohl Transistorstrom als auch Transistorspannung hoch sind, da eine im Lastkreis vorhandene
Freilaufdiode ein Abreißen des Stromes durch die Lastinduktivität verhindert:
--
Beim Einschalten des Transistors kann die Freilaufdiode erst Sperrspannung aufnehmen (ausschalten),
wenn der volle Laststrom auf den Transistor kommutiert ist. Der Kollektorstrom muss
deshalb die Höhe des Laststromes erreichen, bevor die Kollektor-Emitter-Spannung auf den
Durchlasswert absinken kann.
--
Beim Ausschalten des Transistors kann die Freilaufdiode den Laststrom erst dann übernehmen
(einschalten), wenn sie in Durchlassrichtung gepolt ist. Hierzu muss die Kollektor-Emitter-Spannung
über das Niveau der Kommutierungsspannung angestiegen sein, bevor der Kollektorstrom
auf den Wert des Reststromes sinken kann.
Im Gegensatz zu allen Thyristoren sind Transistoren dieser Betriebsweise prinzipiell auch ohne
Beschaltung mit passiven Kommutierungsnetzwerken gewachsen, da während des Schaltens in
der Driftzone eine „dynamische“ Sperrschicht aufgebaut werden kann.
Im Transistor werden jedoch beträchtliche Schaltverlustenergien umgesetzt:
Eon,Eoff
u
idt
t on , t off
Durch (heute nur noch selten angewandte) Beschaltungen mit passiven (Schaltentlastungs-) Netzwerken
kann der Arbeitspunktverlauf dichter an die Achsen angeschmiegt werden. Schaltverluste
werden aus dem Transistor in die Beschaltung „verlagert“, der Gesamtwirkungsgrad sinkt zumeist
ab.
Da – neben Strom-/Spannungseckwerten und Schaltzeit – noch andere (nichtideale) Effekte in
den Transistoren die Form des „weitestmöglichen“ Arbeitspunktverlaufes bestimmen, wird dieser
für unterschiedliche Betriebsfälle in den Datenblättern als SOA (Safe Operating Area) angegeben,
vgl. Kap. 3.3.4.
Außer den nichtidealen Eigenschaften der Transistoren und Dioden beeinflussen auch passive
Stromkreiselemente die Schaltverluste und Arbeitspunktverläufe in hohem Maße. Deren Auswirkungen
sollen in Kap. 5 näher beschrieben werden.
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