06 09 2011

Nullspannungsschalter und Nullspannungsresonanzschalter

Schaltpfade in der Leistungselektronik sind induktiv (stromeingeprägt) oder kapazitiv (spannungs-eingeprägt).

Nullspannungsschalter (ZVS, Zero Voltage Switch) sind aktiv ausschaltbar und schalten passiv im Nulldurchgang der Schalterspannung (vS=0) ein. Der aktive Ausschaltvorgang ist bei ausreichend großer Parallelkapazität sehr verlustarm. Die reduzierten Schaltverluste ermöglichen höhere Schaltfrequenzen im Vergleich zum harten Schalten.

Der verbleibende Steuerfreiheitsgrad erfordert den Einsatz des Steuerverfahrens „Pulsverschiebungsmodulation (PSM; pulse shift modulation)“. Im konkreten Fall der Schaltungen mit Nullspannungsschaltern nennt man das Steuerverfahren auch „Phasenabschnittsteuerung“. Typisch dafür ist der spannungseingeprägte Series Resonant Converter.

Der Nullspannungsresonanzschalter (ZVRS, Zero Voltage Resonant Switch) ist als Grenzfall des ZVS anzusehen. Ein ZVRS schaltet bei einer anliegenden Kommutierungswechselspannung genau im Nulldurchgang dieser Spannung aktiv aus. Die Wechselspannung sorgt für die Strom-kommutierung zwischen zwei Schaltern. Auch bei minimaler Kapazität im Kommutierungskreis reduzieren sich die Schaltverluste gegenüber dem ZVS.

Dies ist verbunden mit dem Verlust eines weiteren Steuerfreiheitsgrades, weil die Ausschaltzeit-punkte durch die vom äußeren Netzwerk diktierten Spannungsnulldurchgänge bestimmt werden. In Schaltungen mit ZVRS ist nur eine indirekte Steuerung des Energieflusses möglich, indem die Schalter über mehrere Perioden des Wechsel- stromes leiten bzw. sperren. In diesem Fall spricht man vom Steuerverfahren „Pulsdichtemodulation (PDM; pulse density modulation)“ oder auch „Pulspaketsteuerung“.

Fazit: Die Reduktion der Schaltverluste wird mit einem Verlust an Steuerfreiheitsgraden erkauft. Die Einschaltverluste sind beim Nullspannungsresonanzschalter geringer als beim Nullspannungsschalter. Diese werden durch die Umladung der Sperrschichtkapazitäten der beteiligten Leistungshalbleiterbauelemente verursacht.

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