Elementare Schaltvorgänge Was sind als Schalter MOSFET (Schaltverhalten) Freilaufdiode Treiberschaltungen Kühlung Quellen 1
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
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
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
Abb.:3 Schalten Zusammenfassung 5
Abb.:4 Schalten Zusammenfassung 6
Was sind sehr schnelle Schalter Bauelemente die hohe Ströme und Spannungen steuern können Arten sind: Leistungsdioden Thyristor Triac Leistungs-MOSFET IGBT 7
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
als Schalter Abb.:5 Hlb. Schaltungen 9
als Schalter Abb.:6 Hlb. Schaltungen 10
als Schalter Abb.:8 Messungen Gemessene Schaltvorgänge (hartes Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last) -Leistungs-MOSFET-Modul 11
als Schalter Abb.:8 Messungen Gemessene Schaltvorgänge (hartes Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last) -IGBT Modul 12
MOSFET + Bipolar Abb.:9 MOSFET 13
Abb.:10 Kennlinie1 14
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
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
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
Kühlung Natürliche Luftkühlung Forcierte Luftkühlung Flüssigkeitskühlung (Wasser, Öl) 18
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
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
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
ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22
Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/ http://www.semikron.com/internet/index.jsp?lan guage=de&sekid=229 Unterlagen der Veranstaltung Halbleiterbauelemente (Boit) http://de.wikipedia.org/wiki/schutzdiode http://www.elektronikkompendium.de/sites/slt/1201131.htm 23
Abbildungen FreiDiod: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/9/90/catchdiode.png Treiberschaltung: http://www.elektronikkompendium.de/sites/slt/schalt/12011311.gif Messungen: http://www.semikron.com/internet/webcms/objects/applica_help/d/3_1-3_2_1_2.pdf ( Seite 4) Indu. Schalter: http://www.semikron.com/internet/webcms/objects/applica_help/d/0_1-0_2.pdf (Seite 1 Kapa. Schalter: http://www.semikron.com/internet/webcms/objects/applica_help/d/0_1-0_2.pdf (Seite 2) Schalten Zusammenfassung: http://www.semikron.com/internet/webcms/objects/applica_help/d/0_1-0_2.pdf (Seite 3) Hlb. Schaltungen: http://www.semikron.com/internet/webcms/objects/applica_help/d/0_1-0_2.pdf (Seite 5) MOSFET:ÜB Halbleiterbauelemente Philipp Scholz Letze Übung Kennliene 1 + 2:ÜB Halbleiterbauelemente Philipp Scholz Letze Übung Alle Quellen sind vom 11.11.08 24