Antriebstechnik an der Technische Universität Wien

Dioden sind das grundlegende Halbleiterelement

Silizium-Dioden bestehen im Wesentlichen aus einem PN-Übergang. Wird ein P- und ein N-dotierter Halbleiter zusammengefügt, dann fließen die frei beweglichen Elektronen aus dem N-Halbleiter in den benachbarten P-Halbleiter und füllen dort die vorhandenen Löcher auf. Die vorher nach außen neutralen N- und P-Halbleiter sind jetzt elektrisch geladen. Nachdem der N-Halbleiter Elektronen abgegeben hat, ist dieser jetzt positiv geladen. Der P-Halbleiter hat diese Elektronen aufgenommen, wodurch dieser jetzt negativ geladen ist. Der Bereich in dem der Ladungsausgleich stattfindet, wird als Raumladungszone bezeichnet und ist die sogenannte Sperrschicht der Diode. Die Diode ist ein spannungsgesteuertes Element, die anliegende Spannung steuert den Stromfluss.

Wird nun eine Diode in Sperrrichtung (reverse-direction) betrieben, dann vergrößert die außen angelegte Spannung die Raumladungszone, sodass nahezu kein Strom fließt. Diese Sperrspannung UR – eine fundamentale Kenngröße von Dioden – kann nicht beliebig erhöht werden. Ein Über- schreiten der Nenn-Sperrspannung zerstört die Diode.

Ein Anlegen einer externen Spannung in der Flussrichtung (forward-direction) verkleinert die Raumladungszone. Solange die externe Spannung kleiner ist, als das elektrische Feld der Raumladungszone, kann kein Strom fließen. Erst wenn die externe Spannung größer wird als das elektrische Feld wird ein Stromfluss in der Flussrichtung ermöglicht. Die Spannung ab der eine Diode leitet, wird mit US (bzw. auch mit UD, UF, U(T0)) bezeichnet und ist die zweite wichtige Kenngröße von Dioden. Der nun fließende Vorwärtsstrom IF ist die dritte wichtige Kenngröße von Dioden.

Da die Ladungsträger entgegen der üblichen Vorspannrichtung fließen, wird der Ladungsausgleich als Reverse Recovery Charge und die Zeit als Reverse Recovery Time bezeichnet. Da während dieser Zeit eine Spannung an der Diode anliegt und gleichzeitig ein Strom fließt, treten Verluste nach dem Prinzip P=U*I auf. Daher gilt es, diese Reverse Recovery Time möglichst kurz zu halten.

• URRM: Spitzensperrspannung, höchstzulässiger Augenblickswert der auftretenden periodischen Sperrspannung (Indizes: -Reverse Repetitive Maximal) • IFAVM: maximaler Mittelwert des Stroms in Durchlassrichtung (Indizes: Forward Average Maximal) • IFRMSM: maximaler Effektivwert des Stroms in Durchlassrichtung, (Indizes: Forward Root Mean Squ- are Maximal) • UF(T0): temperaturabhängige Schleusenspannung (Indizes: Forward Temperatur)

• IFSM: Ist der maximale Spitzenstrom (Maximum peak forward surge current), den eine Diode als einmalige 10ms-Sinushalbschwingung mit anschließender Abschaltung (Erholzeit) ohne Zerstörung führen kann. Dieser Wert ist Grundlage zur Bemessung von Sicherungen und Schaltgeräten für einen Fehlerfall (Kurzschluss, Überstrom).

* extrem hohen Schaltgeschwindigkeit

* geringen Spannungsabfall

* kürzeste Sperrverzögerungszeiten und daraus resultierend extrem kurze Schaltzeiten

• Eingeschränkter Leistungsbereich bis ca. 1kW • Einsatz in Leistungsteilen, wobei er praktisch von MosFET und IGBT verdrängt wurde

• Durchlassverhalten: sehr gut, der Transistor wir in Sättigung betrieben, die Sättigungsspannug UCESat und die Durchlassverluste sind somit sehr klein • Schaltverhalten: gut, relativ hohe Schaltfrequenzen möglich • Steuerverhalten: schlecht, dauernder hoher Steuerstrom nötig

Bei hohen Kollektorströmen (hohe Leistungen)

Der verringerte Steuerstrom wird jedoch mit größeren Durchlassverlusten und längeren Schaltzeiten erkauft.

Eigenschaften: • Durchlassverhalten: sehr gut, geringer ON-Widerstand (rDSon) des Kanals bei MOS-FETs geringer Nennspannung, brauchbarer rDSon bei MOS-FETs höherer Spannung. • Schaltverhalten: sehr gut, sehr hohe Schaltfrequenzen bis 100kHz möglich

• Steuerverhalten: sehr gut, keine Steuerleistung stationär, Steuerleistung erst bei hohen Schaltfrequenzen. • Anwendung: in der Stromrichtertechnik bis 100kHz, Vorteil bei kleineren Spannungen gegenüber IGBT

Wichtige Angaben in den MosFET-Datenblättern sind Werte für • U(BR)DS: wird die maximale Blockierspannung überschritten tritt der Avalanche-Durchbruch auf. D.h. bei hoher Drain-Source-Spannung fließt ein großer Strom, der das Bauelement zerstört. Indizes: Breakdown Drain-Source Voltage • UGS(th): Die angelegte Gate-Source-Spannung muss den Schwellwert (Threshold) übersteigen, damit der Transistor einschaltet. Indizes: Gate-Source Threshold • rDSon: Bahnwiderstand des Kanals bei 25°C. Dieser steigt bei höheren Temperaturen etwa auf das Doppelte an. Bei P-Kanal-Typen ist der rDSon grundsätzlich höher als bei N-Kanal-Typen. Indizes: Drain-Source Widerstand im ON-Zustand

Wichtige Angaben in den IGBT-Datenblättern sind Werte für • U(BR)CE: wird die maximale Blockierspannung überschritten, tritt der Avalanche-Durchbruch auf. D.h. bei hoher Kollektor-Emitter-Spannung fließt ein großer Strom, der das Bauelement zerstört. Indizes: Breakdown Collector-Emitter Voltage • UGE(th): Die angelegte Gate-Emitter-Spannung muss den Schwellwert (Threshold) übersteigen, damit der IGBT einschaltet. Indizes: Gate-Emitter Threshold • WON, WOFF: Ein- und Ausschaltverlustenergien die pro Schaltvorgang auftreten

Drossel und Kondensator, da sie in der Lage sind Energie zu speichern.

LC-Filter sind auch am Eingang notwendig um die Ripplebelastung für die vorgeschalteten Komponenten zu verringern.

Glättung