29 08 2011

Grundlegende Betriebsarten von Leistungshalbleitern

Leistungshalbleiter arbeiten bis auf wenige Sonderanwendungen im Schalterbetrieb. Deren Schaltpfade sind induktiv (stromeingeprägt) oder kapazitiv (spannungseingeprägt).

Ein Schalter in einem induktivitätsbehafteten Zweig kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt aktiv einschalten. Bei unendlich kurzer Schaltzeit treten keine Verluste im Schalter auf. Bei fließendem Strom ist ein aktives Ausschalten ohne Energieumsatz nicht möglich.

In diesem Zweig kann der Schalter ohne Energieumsatz nur bei i = 0 ausschalten. Man spricht in diesem Fall von einem passiven Ausschalten, weil der Schaltzeitpunkt vom Stromverlauf im Schalterzweig bestimmt ist.

Ein Schalter, der diesen beiden Schaltbedingungen unterliegt, wird als ZCS (Zero-Current-Switch) bzw. Nullstromschalter bezeichnet.

Eine eingeprägte Spannung direkt über den Klemmen eines Schalters führt dazu, dass ein Einschalten nur bei v = 0 verlustfrei erfolgen kann. In diesem Fall liegt ein passives Einschalten vor, da der Spannungsverlauf am Schalter durch das äußere Netzwerk bestimmt ist. Bei angelegter Spannung ist ein aktives Einschalten ohne Energieumsatz nicht möglich.

Ein aktives Ausschalten ist in einem kapazitätsbehafteten Zweig dagegen zu jedem beliebigen Zeitpunkt möglich. Bei unendlich kurzer Schaltzeit treten keine Verluste im Schalter auf.

Schalter, die nach den letztgenannten Schaltbedingungen arbeiten, werden ZVS (Zero-Voltage-Switch) bzw. Nullspannungsschalter genannt. 

Fazit: Aus der Betriebsweise von Leistungshalbleitern resultieren grundlegende Prinzipien und Funktionsweisen für alle leistungselektronischen Schaltungen. Sie werden durch aktive und passive Schaltvorgänge bzw. induktive und kapazitiven Kommutierung charakterisiert.

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