Elementare Schaltvorgänge

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1 Elementare Schaltvorgänge Was sind als Schalter MOSFET (Schaltverhalten) Freilaufdiode Treiberschaltungen Kühlung Quellen 1

2 Elementare Schaltvorgänge meist als Schalterbetrieb Ziel ist möglichst Verlustarm zu schalten Idealer Schaltvorgang idealer Schalter Ein-Zustand: V = 0 ; < Ι < Aus-Zustand: I = 0 ; < V < Schaltverhalten: aktiv ein- und ausschaltbar ohne Energieumsatz Passives Schalten: Schaltpunkt wird durch das äußere Netzwerk bestimmt! 2

3 Elementare Schaltvorgänge Schalter in induktivitätsbehafteten Zweigen Einschalten ohne Verluste und immer (Aktiv) Ausschalten nur mit Verlusten, außer I=0 (Passiv) -->ZCS, Zero-Current-Switch Ein-Zustand: V = 0 ; < I < Aus-Zustand: I = 0 ; < V < Schaltverhalten: aktiv ein bei V > 0 passiv aus bei I = 0 Abb.:1 Indu. Schalter 3

4 Elementare Schaltvorgänge Schalter zwischen kapazitätsbehafteten Punkten Einschalten nur bei V=0 Verlustrei möglich (Passiv) Ausschalten ohne Verluste und immer möglich (Aktiv) -->ZVS, Zero-Voltage-Switch Abb.:2 Kapa. Schalter: Ein-Zustand: V = 0 ; < Ι < Aus-Zustand: I = 0 ; < V < Schaltverhalten: aktiv aus bei I > 0 passiv ein bei V = 0 4

5 Abb.:3 Schalten Zusammenfassung 5

6 Abb.:4 Schalten Zusammenfassung 6

7 Was sind sehr schnelle Schalter Bauelemente die hohe Ströme und Spannungen steuern können Arten sind: Leistungsdioden Thyristor Triac Leistungs-MOSFET IGBT 7

8 Was sind Anwendungen: Steuerung elektrischer Antriebe Verkehrswesen / Maschinenbau ( Bahn- Oberleitungen, U-Bahn) Umformung / Anpassung von Spannung, Strom, und Frequenzen (Frequenzumrichter) KFZs (el. Einspritzung und Zündung Lichtmaschine,...) Aufbereitung der el. Energie bei HybridFahrzeugen SchweißtrafoSteuerung... 8

9 als Schalter Abb.:5 Hlb. Schaltungen 9

10 als Schalter Abb.:6 Hlb. Schaltungen 10

11 als Schalter Abb.:8 Messungen Gemessene Schaltvorgänge (hartes Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last) -Leistungs-MOSFET-Modul 11

12 als Schalter Abb.:8 Messungen Gemessene Schaltvorgänge (hartes Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last) -IGBT Modul 12

13 MOSFET + Bipolar Abb.:9 MOSFET 13

14 Abb.:10 Kennlinie1 14

15 Pinch-OFF UDS = UGS-UT ID = 2K (UGS-UT)² Beginn der Kanalabschnürung Sättigung UDS > UGS-UT ID = K (UGS-UT)² f(uds) In diesem Bereich ist ID in erster Näherung nicht mehr von UDS abhängig!! Abb.:11 Kennlinie2 UDS steigt an, L dehnt sich aus, das E-Feld im abgeschnürten Bereich steigt an, ID konstant 15

16 Freilaufdiode Abb.:12 FreiDiod Schutz vor Überspannung (Abschalten von induktiven Lasten z.b. Gleichstrommotor) Ohne Diode --> Spannungsspitze die zur Schädigung führt Mit Diode --> Spannungsspitze auf 0.7 V begrenzt Abzubauende Energie in Wärme umgewandelt Sperrspannung von Schalter und Diode >= Betriebsspannung 16

17 Treiberschaltungen Abb.:13 Treiberschaltung Steuersignale haben zu kleine Ströme --> Strom treiben Transistor dahinter schalten Arbeitspunkt einstellen (Widerstände) Steuersignale meist zu schwach um Schalter zu Steuern --> Strom treiben Bei Ober und Unterwellen etwas Komplizierter -->beide Hälften einzeln verstärken 17

18 Kühlung Natürliche Luftkühlung Forcierte Luftkühlung Flüssigkeitskühlung (Wasser, Öl) 18

19 Natürliche Luftkühlung Natürliche Luftkühlung wird im unteren Leistungsbereich bis ca. 50 W Schwärzung des Kühlkörpers verbessert die Strahlungseigenschaften um ca. 15% Dicke der Kühlrippen nicht so wichtig wie ihr Abstand untereinander (besserer thermischer Auftrieb) 19

20 Forcierte Luftkühlung 1/5 bis 1/15 geringerer Kühlkörperwiderstand!Möglichst viele Rippen und dicken Unterboden ( Wurzel) --> Wärmeleitfähigkeit steigt an Schwärzung nicht sinnvoll --> Wärmeabtransport über Luft Kühlung wird bestimmt von dem durchsetzten Luftvolumen und der Luftgeschwindigkeit 20

21 Wasserkülung Anwendung bei Anlagen im MW Bereich oder dort wo schon Wasser vorhanden ist Schnellerer Wärmeabtransport --> Übertaktung möglich --> Niedrige Chiptemperatur ->Lebensdauer Probleme Korrosionseigenschaften Wasserhärte Frostsicherheit -->Glykolzusätze -->sinken des Wärmespeichervermögens 21

22 ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22

23 Quellen guage=de&sekid=229 Unterlagen der Veranstaltung Halbleiterbauelemente (Boit)

24 Abbildungen FreiDiod: Treiberschaltung: Messungen: ( Seite 4) Indu. Schalter: (Seite 1 Kapa. Schalter: (Seite 2) Schalten Zusammenfassung: (Seite 3) Hlb. Schaltungen: (Seite 5) MOSFET:ÜB Halbleiterbauelemente Philipp Scholz Letze Übung Kennliene 1 + 2:ÜB Halbleiterbauelemente Philipp Scholz Letze Übung Alle Quellen sind vom