Schaltverluste der Diode
Einleitung
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei den Schaltverlusten um Verluste, welche erzeugt werden, wenn die Diode umgeschaltet wird.
Beim Umschalten kommt es zu einer Verzögerung, wodurch eine bestimmte Leistung entsteht.
Bei der Diode kann es zwei Arten von Schaltverlusten geben. Entweder beim Einschaltvorgang, das bedeutet beim Umschalten vom Sperr- in den Flussbereich oder andersherum beim Ausschaltvorgang. Hier wird vom Fluss- in den Sperrbereich umgeschaltet.
Erklärung der Schaltverluste
Die Leistung bzw Verlustleistung durch die Diode ergibt sich allgemein wie immer durch die Multiplikation aus Strom und Spannung. (P=U*I).
Daher ergibt sich, wenn der Diodenstrom und die Diodenspannung ungleich 0 ist, eine bestimmte Leistung / Verlustleistung.
Man muss unterscheiden zwischen stationären Verlusten der Diode und Schaltverlusten. In diesem Beitrag geht es nun speziell um die Schaltverluste.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich hierbei um Verluste, welche erzeugt werden, wenn die Diode umgeschaltet wird. Genauer gesagt beim Umschalten von Fluss- in den Sperrbetrieb und beim Umschalten vom Sperr- in den Flussbetrieb.
Welche Verluste entstehen während des Umschaltens?
Betrachtet man das Schaltverhalten der Diode, kommt es wie bekannt beim Schalten der Diode zu Verzögerungen. Warum diese so kritisch im Bezug auf die Verlustleistung sind, soll im Folgenden näher betrachtet werden.
Im Idealfall sollten keine Verluste auftreten, da die Umschaltzeit ideal 0 beträgt.
In Realität kommt es aber beim Umschalten zu Verzögerungen.
Vereinfacht ist das Prinzip im untenstehenden Bild dargestellt. Beim Umschalten kommt es zu einer Verzögerung. Hierdurch nimmt Strom und Spannung einen bestimmten Wert an, wodurch wiederum Leistung / Verlustleistung auftritt.
Das bedeutet, wenn es zu einer Schaltverzögerung kommt, kommt es automatisch zu Schaltverlusten, auch wenn wir die Diode ideal betrachten.
Im Wesentlichen sind allgemein für die Schaltverluste der Diode die Ausschaltverluste (vom Flussbetrieb in den Sperrbetrieb) relevant.
Einschaltverluste – Schaltverluste
Die Einschaltverluste sind für die gesamten Schaltverluste nicht so wichtig / relevant im Vergleich zu den Ausschaltverlusten. Trotzdem schauen wir uns diese im Folgenden genauer an. Wie bereits erklärt ergibt sich die Leistung immer durch die Multiplikation von Spannung und Strom. Deswegen schauen wir uns im Folgenden konkret den Strom und Spannungsverlauf während des Umschaltvorgangs an.
Ausführlicher Beitrag zum Einschaltverhalten: ⇨ Einschaltverhalten
Wie zu sehen, steigt bei dem kapazitiven Verhalten die Spannung von der Sperrspannung kontinuierlich auf die Flussspannung an. Zusammen mit dem Strom ergibt sich dann die Leistung.
Daraus folgt, dass die Schaltverluste hier keine sonderlich hohen Werte annehmen.
Beim induktiven Verhalten zeigt die Spannung eine Überschwingung auf. Hier kommt es entsprechend zu einem Leistungsanstieg. Da der Überschwinger zeitlich gesehen in einer kurzen Zeitdauer ersteht, treten auch hier im Vergleich geringe Schaltungsverluste auf.
In Realität ist hier zumeist eine Mischung aus kapazitivem und induktivem Verhalten zu sehen. Unten ist die Simulation in LTSpice des Einschaltverhaltens der Diode zu sehen. In grün ist die Leistung dargestellt. Wie bereits in der Theorie erklärt, übersteigen die Schaltverluste nicht die stationären Verluste.
Ausschaltverluste – Schaltverluste
Im untenstehenden Bild ist speziell der Ausschaltvorgang dargestellt. Es ist das Verhalten von Strom und Spannung abgebildet sowie das daraus resultierende Verhalten der Leistung.
Ausführlicher Betrag zum Ausschaltverhalten: ⇨ Ausschaltverhalten
Um sich einen Überblick zu verschaffen, hilft es erstmal die 0-Punkte zu markieren. Also die Punkte, bei denen Strom oder Spannung auf 0 liegen.
Als erstes sinkt der Strom ab auf 0 und steigt danach ins Negative an. Dann sinkt die Spannung auf 0. Somit sinkt die Leistung auch hier erst auf 0 und steigt dann etwas an und sinkt dann wieder auf 0.
Der Strom geht langsam auf seinen Endwert (Leckstrom). Hierdurch haben Spannung und Strom gleichzeitig einen relativ hohen Wert. Daher geht hier die Leistung stark nach oben. Es ergibt sich die Leistungsspitze.
Es ist zu sehen, dass im Wesentlichen die sogenannte Restladung QF für Schaltverluste verantwortlich ist. Bei der Nachlaufladung Qs entstehen vergleichsweise wenig Verluste.
Grund dafür ist, dass erst bei der Restladung QF die Spannung betragsmäßig ansteigt und somit auch die Leistung steigt (P=U*I).
Rückstromspitze IRM im Wesentlichen von Gleichstrom I0 zu Beginn der Abschaltung + Stromsteilheit abhängig.
Somit ist einerseits die Steilheit von Strom und Spannung, aber auch die Höhe der Rückstromspitze IRM für die Dauer der Umschaltzeit und somit auch für die Höhe der Ausschaltverluste verantwortlich.
Unten sind die Ausschaltverluste in der LTSpice Simulation dargestellt. Hierbei deckt sich das Ergebnis mit der Theorie.
Zusätzliche Hinweise zur Angabe der Schaltverlustleistung:
Schaltverluste werden als zeitlicher Mittelwert des Momentanwerts ps über den Ausschaltvorgang ermittelt.
Zusätzlicher Hinweis zum Temperatureinfluss
Sperrverzugsladung Qrr -> Bei Erwärmung von 25°C auf 150°C erfolgt Verdopplung bis Verdreifachung von Qrr