Leistungselektronik

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Dieser Artikel ist der Einstiegspunkt zu einer Reihe von weiteren Beiträgen, die alle das Thema "Leistungselektronische Systeme" als Hintergrund besitzen. Weiterführende Details und Ergänzungen findet man in den verlinkten Artikeln wie IGBT, FET, TRIAC, Kühlkörper, Treiber, Zwischenkreiskapazität, Mosfet-Übersicht.

In diesem Artikel geht es hauptsächlich darum einen Überblick über das "System" zu schaffen und diverse Grundlagen und Begriffe zu definieren.

Was versteht man unter "Leistungselektronik"?

Unter dem Begriff "Leistungselektronik" versteht man alles, was mit Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen zu tun hat. Dies beginnt bereits bei wenigen 100mA und wenigen Volt, reicht aber bis zu mehreren 100kV und mehreren 1000A. Bei kleineren Spannungen und Strömen besteht die Herausforderung nicht in den absoluten Werten selbst, sondern in der Umformung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad und mit möglichst geringen EMV-Abstrahlungen.

Leistungselektronik bzw. leistungselektronische Systeme bestehen immer aus einem Steuerungs- bzw. Regelteil, und dem Leistungsteil selbst. Dieses Leistungsteil - oft auch als "Leistungselektronik" bezeichnet - besteht selbst wieder aus mehreren Komponenten, die aber immer aufeinander abgestimmt sein müssen.

Sicherheitsvorkehrungen

Jeder der in diesem Bereich arbeitet muss sich über die Gefahren, die von hohen Spannungen (ab 50V_ac und ca. 60V_dc {offiziell 120V_dc}), hohen Strömen oder hohen Energien (z.B. aus einem Kondensator) ausgehen, informieren und entsprechende Sicherheitsvorkehrungen treffen. Ab ca 12V zündet ein Lichtbogen und verlischt anschließend. Ab ca. 20V bleibt ein Lichtbogen nach der Zündung stehen, bis die Spannung unter die Lichtbogenbrennspannung - die abhängig von der Lichtbogenlänge ist - fällt. Auch bei einer einmaligen Entladung (z.B. aus einem Kondensator) kann so viel Energie in dem Brennmoment enthalten sein, daß flüssiges Metall durch die Gegend geschleudert wird. Die Verwendung eines Trenntrafos und einer Schutzbrille - letzteres speziell für Messungen mit dem Oszi direkt am Testobjekt - sollte auch schon bei geringen Leistungen zur Standardausrüstung gehören, bei größeren Leistung auch ein Gehörschutz.

Bestandteile eines leistungselektronischen Systems

Zum Leistungsteil gehören immer:

  1. Leistungshalbleiter (FET, Mosfet-Übersicht, IGBT, TRIAC)
  2. Kühlung für den Leistungshalbleiter über Kühlkörper
  3. Zwischenkreiskapazität
  4. Niederinduktiver Aufbau zwischen Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter
  5. Ansteuerschaltung = Treiber
  6. Spannungsversorgung für den Treiber
  7. Überwachungs- und Abschaltvorrichtung

Optional können noch eine separaten HS-Energieversorgung, ein Strom- bzw. Spannungssensor, sowie ggf. eine Potentialtrennung der Ansteuersignale von der Regeleineheit zum Treiber mit dazugehören.

Warum sind diese Komponenten immer Bestandteil einer leistungselektronischen Anwendung, und auf was ist zu achten?

Leistungshalbleiter

Der Leistungshalbleiter selbst ist der eigentliche Schalter. Hier gibt es verschiedene Typen/Arten von Halbleitern, die wichtigsten werden in den entsprechenden Kapiteln (FET, Mosfet-Übersicht, IGBT, TRIAC) genau erläutert. Als kleine Zusammenfassung kann gesagt werden, daß sich nicht abschaltbare Bauteile wie TRIACs normalerweise ausschließlich für das Schalten von Wechselstrom (AC) eignen, und abschaltbare Bauteile wie FET und IGBT ihre Stärken bei Gleichstrom (DC) ausspielen. Si-FETs werden meist für Spannungen bis zu ca. 200V, und schnelles und häufiges Schalten >30..50kHz eingesetzt. IGBTs hingegen sind für Schaltfrequenzen bis zu typisch 10..12kHz, (selten bis zu 30kHz) und für Spannungen größer ca. 150V optimal eingesetzt. (FETs und IGBTs können auch schneller schalten, jedoch sinkt dann der Wirkungsgrad.) Mit den seit wenigen Jahren verfügbaren SIC-FETS (Siliziumcarbid) steigt die sinnvoll nutzbare Spannung auf bis zu 450V bzw. 800V (REI*: UJ3C065030K3S SiC-Kaskode-FET, 650V, 85A, Rdson 0,027R , TO-247-3L bzw. UF3C120040K3S SiC-Kaskode-FET, 1200V, 65A, Rdson 0,035R , TO-247-3L für ca. 26€ bzw. 35€ [Feb22]).

Vom FET existieren im Bereich Leistungselektronik zwei Haupttypen, der N-Kanal- und der P-Kanal FET. Details im entsprechenden Kapitel nur soviel Vorweg: Bei Anwendungen über ca. 30-40V oder mit hohen Strömen ist es sowohl bezüglich Kosten, als auch bezüglich Verluste und Auswahlmöglichkeiten sinnvoll zu prüfen, ob ein N-Kanal Typ mit seiner etwas aufwändigeren Ansteuerung bzw. Energieversorgung nicht doch Sinn macht. In industriellen Anwendungen wird der P-Kanal Typ auf Grund der etwas höheren Kosten bzw. des schlechteren RdsON nur relativ selten verwendet. -

Kühlung für den Leistungshalbleiter

Leider läßt sich Energie nicht zu 100% verlustfrei konvertieren. Diese Verluste werden hauptsächlich in Form von Wärme abgestrahlt. Damit der (teure) Leistungshalbleiter die gewünschte Lebensdauer erreicht bzw. nicht überhitzt und damit zerstört wird, muß die Verlustenergie in irgend einer Art und Weise über einen Kühlkörper abgeführt werden.

Nur zum Vergleich: Eine 17cm durchmessende Herdplatte mit einer Leistung von 1000W hat eine Leistungsdichte von ca. 4,5W/cm². In unseren PCs - zur Kühlung der CPU - sind 50..70W/cm² übliche Werte. Die meisten Applikationen mit Leistungshalbleitern übersteigen die Leistungsdichte unserer Herdplatten bei weitem.

Diese Kühlung von nennenswerten Leistungen erfolgt fast ausschließlich durch Wärmeleitung und immer auch in Form von Wärmestrahlung. Bei sehr kleinen Verlustleistungen und hohen Temperaturdifferenzen vom Halbleiter zur Umgebungsluft ist die Ableitung durch Abstrahlung in die Luft (natürliche Konvektion) und Ableitung durch Wärmeleitung in die Platine ohne einen zusätzlichen Kühlkörper oft ausreichend. In Datenblättern findet man 50..75 K/W (ja = junction to ambient) vom Halbleiter zur Umgebungsluft, was bedeutet, daß man ca. 1W ohne Kühlkörper abführen könnte, da sich der Kühlkörper pro Watt um die genantnen 50..75K erwärmt. Für höhere Leistungen muß der Halbleiter auf einen Luftkühler z.B. Kühlkörper bzw. bei höchsten Leistungsdichten auf einem Wasserkühler montiert werden. Dies wird genauer im Kapitel "Kühlung von Leistungshalbleitern" beschrieben.

Zwischenkreiskapazität

Die Zwischenkreiskapazität ist der Energiepuffer der Anwendung, und muß mindestens ein Umschalten der Leistungsendstufe puffern können. Jede Leitung/Verbindung stellt eine Induktivität dar. Die Energiequelle ist in 99,9% aller Fälle nicht direkt an der Leistungselektronik, sondern über je eine Induktivität in Hin- und Rückleitung, mit dem Schalter verbunden. Daher ist technisch gesehen die Quelle "weit" von der Last entfernt. Diese Induktivitäten führen sowohl zu einem Spannungseinbruch beim EINschalten, aus auch zu einer Spannungsüberhöhung beim AUSschalten, und genau dies muß durch den Zwischenkreis minimiert werden. Die Zwischenkreiskapazität dient also der Kompensation der Leitungsinduktivitäten. Die Anbindung des Kondensators mit geringst möglichen Abstand zum Leistungsschalter - d.h. mit geringst möglicher Induktivität - ist entscheidend über die Funktion der Leistungselektronik. Je besser diese Anbindung, desto näher kann man mit der Spannungsfestigkeit des Leistungsschalters an die maximale Spannung der Energiequelle heran. Anders gesagt: Die Spannungsreserve ist umgekehrt proportional zum technischen Niveau des Entwicklers ;-).

Niederinduktiver Aufbau zwischen Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter

Da eine zu hohe Leitungsinduktivitäten zwischen Leistungshalbleiter und Zwischenkreiskondensatoren beim Schaltbetrieb zu hohen Spannungsspitzen führt - die gegebenenfalls den Leistungshalbleiter zerstört - muss der Abstand und damit die Induktivität zwischen Zwischenkreiskondensator und Halbleiter so kurz wie möglich gehalten werden. Natürlich ist dies nicht immer optimal möglich, daher sind Möglichkeiten wie verdrillen von + und GND sowie das Parallelschalten von mehreren, gegeneinander isolierten Litzen mit geringerem Durchmesser oft sinnvoll. An dieser Stelle ist ein technisch optimales Design die erste Priorität, und erst dann Bauraum oder Kosten. Aus diesem Grund ist diese so simpel kingende Verbindung zwischen Zwischenkreis und Leistungsschalter hier als separates Bauteil aufgeführt

Ansteuerschaltung = Treiber

Um den Leistungshalbeiter kontrollieren zu können ist eine Ansteuerschaltung, der Treiber, erforderlich. Der Treiber hat die Aufgabe das Ansteuersignal mit Logikpegel zum Schalten des Leistungshalbleiters umzusetzen. Hierbei sind verschiedene Anforderungen einzuhalten. Das Ansteuersignal besitzt einen fast beliebigen Logikpegel und könnte eine beliebige Flankensteilheit aufweisen. Gängige Treiber-ICs verfügen also über einen weiten Eingansspannungsbereich - z.B. 3-15V - und einer Schmidt-Trigger Funktionalität um das Signal aufzubereiten. Des Weiteren darf ein GND-Versatz von einigen, wenigen Volt zwischen Ansteuer-Controller und Leistungs-Ground - der von hohen Strömen hervorgerufen wird - nicht zu plötzlichen und ungeplanten Umschaltungen - oder zur Verhinderung von Umschaltungen - führen. Dieser Ground-Versatz ist übrigens eine der häufigsten "Herausforderungen" im Schaltungsdesign von Leistungeelektronik. Die wichtigste Aufgabe des Treibers ist jedoch das Ein- und Ausschalten des Leistungshalbleiters innerhalb einer definierten Zeit. Dazu muss der Treiber den zum Schalten erforderlichen Strom liefern können, und dies auch noch auf dem Potential, das der Leistungshalbleiter benötigt. Damit der Treiber diese Aufgabe erfüllen kann, benötigt er die zum Schalten erforderliche Energiemenge. Diese Energie wird normalerweise aus einer anderen Quelle als der Leistungsstromversorgung bezogen und sinnvollerweise in einem Keramikkondensator gespeichert. Ist nur eine Quelle vorhanden ist auf eine gute Entkopplung der Treiberspannungsversorgung von der Leistungsquelle zu sorgen, z.B. durch einen Vorwiderstand von wenige Ohm und einem schnellen Kondensator, gegebenenfalls auch gestaffelt.

Spannungsversorgung für den Treiber

Die Energieversorgung für die Ansteuerschaltung muss normalerweise eine geringe, durchschnittliche Energiemenge zur Verfügung stellen. Die Impulsbelastung ist jedoch entsprechend hoch, da sich der Treiber im Moment des Umschaltens einen entsprechend großen "Schluck" genehmigt. Details zum Energiebedarf siehe Artikel Treiber. Die Energie kann über je einen potentialfreien DCDC-Converter pro Schalter oder auch für LS-Schalter auf GND bezogen, und für HS-Schalter mittels Ladungspumpe (Aufladen eines Pufferkondensators auf HS-Ebene über eine Diode sobald der LS-Schalter einschaltet) zur Verfügung gestellt werden. Hier jedoch ist kein "Dauer-Ein" möglich, da der HS-Pufferkondensator nach einer berechenbaren Zeit nicht mehr genug Energie beinhaltet und gegebenenfalls unkontrolliert abschaltet

Überwachungs- und Abschaltvorrichtung

Der Aufbau eines Leistungsteiles (siehe oben) ist meist recht aufwändig, und auch wenn man weiß was man tut können Fehler passieren. Das Ergebnis eines Fehlers oder eine kleinen Unachtsamkeit sind oft zuerstörte Leistungshalbleiter und einige defekte Bauteile in der Treiberschaltung, zu deren Suche und Austausch man wieder viel Zeit verschwenden muss. Eine schnelle Meßvorrichtung zur sicheren Erkennung von Überspannung und -strom ist mit vergleichsweise geringem finanziellen Aufwand, aber am Anfang mit größerem zeitlichen Aufwand verbunden... aber es zahlt sich aus. Spätestens nach dem dritten Satz an Bauteilen fängt man an nachzudenken. Empfehlenswert ist also eine Spannungemessung (Spannungsteiler für Betriebsspannung und Z-Diode für Referenz) und eine Strommessung. Für einphasige Lasten genügt zur Strommessung ein kleiner induktivitätsarmer Shuntwiderstand im GND Rückleiter zwischen Schalter und Zwischenkreiskapazität, damit ist die Überstromabschaltung also GND-Bezogen. Der Shunt muss immer sehr niederohmig sein, damit die Verluste im Meßwiderstand überschaubar bleiben, und der GND-Versatz im Rahmen. Der Spannungsabfall an diesem Shunt wird dann mit einem OP verstärkt, und genau wie das Signal der Überspannung je einem schnellen Komparator (z.B. LM311, 100ns) zugeführt. Hier sind Abschaltzeiten von wenigen µs machbar. Aber Achtung auf die Überspannung durch Lastinduktivität oder parasitären Induktivitäten, denn je nach Abschaltgeschwindigkeit kann man sich das Leistungsteil auch dadurch zerstören, also ggf. bei kurzer Reaktionsgeschwindigkeit von z.B. <500ns langsam 'AB'schalten z.B. innerhalb von 10µs. (dU=-L*Di/dt) Details zur Überspannungs- und Überstromabschaltung folgen zu gegebener Zeit. Achtung: diese Abschaltungen müssen über ein Latch gespeichert, und der abgeschaltene Zustand gehalten werden, sonst erfolgt nach wenigen µs gleich wieder ein Zuschlalten auf einen vorhandenen Fehler.

Schaltungstopologien

In diesem Kapitel werden die am häufigsten verwendeten Schaltungstopologien in der Leistungselektronik dargestellt, und kurz besprochen:

Darstellung der wichtigsten Schaltungstopologien
Low-Side–Schalter
Der Halbleiter schaltet eine Last gegen GND – auch als LS-Schalter bezeichnet. Die Last ist fest mit der Versorgungsspannung verbunden. Der Treiber kann hier zwar direkt an GND geschaltet werden, jedoch ist bis zum Verbindungspunkt auf eine strikte Trennung zwischen Leistungs-GND und Signal-GND, genauso wie an möglichst direkte Anbindung an den Bezugspunkt (direkt an Source bzw. Emitter) zu achten.
High-Side–Schalter
Der Halbleiter schaltet eine Last an die Versorgungsspannung – auch als HS-Schalter bezeichnet. Die Last ist fest mit GND verbunden. Hier wird der Treiber nicht mit GND verbunden, jedoch trotzdem möglichst direkt mit der Source/Emitter des Bauteiles. Die Energieversorgung für den HS-Treiber erfolgt entweder über Bootstrap, oder über einen isolierten DCDC Wandler. Diese Art eines Schalters findet sehr häufig Anwendung z.B. im Kfz, da dort GND praktisch überall vorhanden ist, und keinen separaten Rückleiter erfordert.
Halbbrücke
Eine Kombination aus LS-Schalter und HS-Schalter, die an der Verbindungsstelle zwischen LS- und HS-Schalter einen gemeinsamen Anschluß, den "Mittelpunkt" aufweist. Dadurch ist es möglich die Last entweder mit der Energiequelle, oder mit der Leistungs-GND zu verbinden. Besonders wichtig ist hier, daß zwischen dem Ausschalten des einen Schalters und dem Einschalten des anderen Schaltes eine minimale Zeit vergehen muß. Diese Zeit muss absolut sicherstellen, daß zu keinem Zeitpunkt BEIDE Schalter gleichzeitig leitend sind. Moderne Halbbrücken-Treiber ICs haben diese sogenannte "shoot-through protection" bereits eingebaut. Ansonsten läßt sich die Funktion auch extern nachrüsten, sogar eine RCD-Kombination ist hier möglich. Hierbei wird das Ansteuersignal zum IC beim Einschalten über RC verlangsamt, der Widerstand jedoch beim Ausschalten mit einer Diode überbrückt, und daher praktisch ohne Verzögerung abgeschaltet.
H-Brücke
Zwei Halbbrücken mit gleicher Energiequelle. Die Last ist hier zwischen den beiden Mittelpunkten der Halbbrücken geschaltet, und kann dadurch sowohl in der eine, als auch in der andere Richtung durchflossen werden. Diese Anordnung wird oft verwendet um DC-Motoren zu steuern, und die Richtung zu wählen. Bezüglich der Treiber ist zu beachten, daß die beiden HS-Treiber jeweils eine getrennte Stromversorgung erfordern, was durch Bootstrap automatisch gegeben wäre. Das Bezugspotential der LS-Schalter ist zwar - wenn beim Design berücksichtigt - halbwegs gleich, der Sourceanschluß des linken HS-FETs liegt jedoch im Wechsel mit dem Sourceanschluß des rechten HS-FETs abwechslend auf GND und der Ausgangsspannung der Energiequelle. Des Weiteren gelten die o.g. genannten Randbedingungen zur Anordnung der Halbbrücke.
Vollbrücke
Drei Halbbrücken mit gemeinsamer Leistungsquelle die eine dreiphasige Last - meist einen Motor - ansteuern. Des Weiteren gelten die o.g. genannten Randbedingungen zur Anordnung der Halbbrücke oder der H-Brücke.

Eines haben diese Schaltungsanordnungen gemeinsam: Durch PWM kann die fliesende Leistung (fast) stufenlos zwischen 0% und 100% geregelt werden. Bei einer 8-Bit PWM z.B. in 256 Stufen.

GND ist nicht gleich GND

So mancher kennt vermutlich das Problem einer Mikrocontrollerschaltung mit einem AD-Wandler. Wenn das Ergebnis der AD-Wandlung noch halbwegs der Realität entsprechen soll, dann müssen einige Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, damit z.B. etwaige Negative- oder Überspannungen aus diesem oder parallelen Kanälen die Potentiale über die internen Klemmdioden nicht verschieben, und damit jegliche Genauigkeit verhindert. Neben der Abschirmungsproblematik ist es auch sinnvoll auf eine sorgfältige Trennung von Analog-GND zu Digital-GND zu achten. (Jaa Hubert L., aber hier reicht es noch ;-) ) Natürlich gibt es vielfältige Maßnahmen dies sicherzustellen, das zu diskutieren bzw. die "Beste Lösung" zu finden ist jedoch nicht Ziel dieses Artikels.

Ein sehr ähnliches Problem gibt es hier im Leistungsteil mit der Signal-GND (Signal vom und zum Treiber) und der Leistungs-GND (Hauptstrompfad). Diese zwei GNDs (Signal-GND vom Treiber und Leistungs-GND vom Halbleiter) dürfen nur an einem Punkt miteinander verbunden werden, und zwar direkt am Anschlußpunkt von Source bzw. Emitter des Leistungsbauteiles selbst. In den Stromlaufplänen oben und denen des Artikels "Treiber" wird auffallen, daß der GND Anschluß des Treibers nicht irgendwo an Leistungs-GND angebunden ist, sondern möglichst direkt am Halbleiter.

Der Grund ist sehr einfach erklärt: GND-Versatz.

Hier geht es jetzt nicht um den ohmschen d.h. statisch, dem Strom folgenden, Spannungsabfall zwischen Source bzw. Emitter und dem Verbindungspunkt der beiden GNDs, sondern um den dynamischen durch die Induktivität von ein paar ZENTIMETER Leitung. Dieser Spannungsabfall steht dann nicht mehr zur Verfügung, um den FET / IGBT anzusteuern, da er der U_GS entgegen wirkt.

Bezüglich "ohmscher Anteil": bei 500A und 1mOhm sind das nur 0,5V, eigentlich vernachlässigbar, und ein guter Entwickler läßt sowieso etwas Luft. Nehmen wir jetzt aber den induktiven Spannungsabfall, den wir gemäß dU = -L * dI / dt berechnen. Drei Zentimeter Leiterbahn haben eine Aufbau abhängige parasitäre Induktivität von ca. 20..30nH. Werden 125A in 250ns geschaltet bedeutet dies eine Stromsteilheit von 500A/µs. (Auch 6..10kA/µs sind keine Seltenheit!). Bei 500A/µs und 20nH entsteht in drei Zentimeter Leiterbahn bei jedem Schalten eine Selbstinduktionsspannung von -20nH·500A/1µs = -10V. Was das bedeutet, wenn die GS-Ansteuerspannung um 10V reduziert wird, kann sich sicher jeder denken, der Halbleiter schaltet überhaupt nicht mehr, bzw. schaltet nur sehr kurz und wird von dU wieder abgeschaltet. Des Weiteren verkraften die meisten, guten Treiber-ICs am Gateausgang eine Spannung von maximal 5V unter dem Bezugs-GND-Potential. Wird die Spannungsdifferenz etwas größer, tritt "magischer Rauch" aus, und wir brauchen wieder einen "neuen Timmy".

Das Thema der "parasitären Induktivitäten" begegnet uns wieder beim Thema "Niederinduktiver Aufbau zwischen Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter". Dort tritt eine vergleichbare Stromsteilheit auf, die Induktivität der Verbindungen zwischen Kondensator und Leistungsschalter ist jedoch höchsten größer, aber nicht so einfach zu beheben wie bei der Treiber-GND durch Anschluss an der richtigen Stelle.

Begriffsdefinitionen

Stromsteilheit
dI/dt = Änderung des Stromes über der Zeit z.B. 100A in 1µs = 100A/µs
PWM
Pulsweitenmodulation: Durch Variation des Verhältnisses der Ein- und Ausschaltzeit entsteht bei gleicher Grundfrequenz ein Rechtecksignal mit variablem Verhältnis der Ein =1 zur Aus = 0 Zeit. Dies nennt man auch das "Tastverhältnis". Dieses Signal kann auch zur Leistungssteuerung verwendet werden, indem z.B. eine 1000W Heizung die auf 400W laufen soll zu 40% ein-, und zu 60% ausgeschaltet ist. Mit dieser Ansteuerung können beliebige Signalformen realisiert werden, sofern eine für die Schaltfrequenz geeignete Filterung erfolgt. Beim Motor (H-Brücke oder Vollbrücke) wird diese Filterung durch die Induktivität der Motorwicklung erreicht, sodaß der Strom nur mehr einen kleineren Stromrippel in etwa in Form eines Dreiecks aufweist.
Tastverhältnis
Das Verhältnis t_ein / (t_ein + t_aus) bezeichnet man als Tastverhältnis. (engl. Duty Cycle, daher oft abgekürzt DC, Achtung: bitte nicht mit Direct Current = Gleichstrom verwechseln). Das Tastverhältnis ist eine Zahl zwischen '0' und '1'.
Brückenkurzschluss
Siehe Querstrom
Querstrom
Dies wird meist verursacht durch gleichzeitiges oder überlappendes Schalten von HS- und LS-Schalter (oder einem defekten Schalter auf den "aufgeschaltet" wird). Moderne integrierte Treiber stellen durch eine intern erzeugte "Totzeit" sicher, daß dieser Fall des überlappenden Schaltens im Umschaltmoment nie eintritt. Bei einem Selbstbau-Treiber ist diese Funktionalität Pflicht. Gibt es diese "Totzeit" nicht, oder liegt in einem der Leistungshalbleiter ein Defekt vor steigt der Strom Aufgrund der geringen Induktivität in einem solchen Lastkreis leicht auf mehrere 1000A, und kommt einem Kurzschluß der Leistungsquelle gleich. Wird ein solcher Kurzschluß wie üblich schnell abgeschaltet, zerstören die dabei entstehenden Überspannungen die Schalter meist sofort.

Im Kleinleistungsbereich (Modellbau) lassen sich auch brückenkurzschluss-sichere Endstufen aus emittergekoppelten Komplementärtransistoren aufbauen. So ähnlich wie bei Lautsprecher-Endstufen. Stichwort: "Digitale Komplementärendstufe mit Potenzialversatz", dies bietet jedoch schaltungstechnisch keinen wirklichen Vorteil. Eine "echte" Treiberstufe mit Totzeit - egal ob diskret aufgebaut (Laufzeitverzögerung mit RC), mit RCD-Bestückung am Gate, oder im Treiber-IC integriert - ist "State of the Art".

Parallelschalten von Leistungstransistoren

FETs und IGBTs lassen sich relativ einfach parallelschalten, wenn ein paar wenige Grundsätze beachtet werden:

  1. Jeder Transistor bekommt einen eigenen Gate-Vorwiderstand bzw. eine eigene R||RD Beschaltung (Gatebeschaltung).
  2. Die Leistungsanbindung an Drain und Source – hier zählt "mOhm" und "nH" - wird symmetrisch aufgebaut, ähnlich einem "hydraulischen Abgleich" bei Heizungssystemen.
  3. Die Schleife "Kondensator — FET — Kondensator" wird minimiert.
  4. Die Gatebeschaltung wird möglichst nahe am Gate- und Source-Anschluß angebracht und bezüglich Induktivität (Leitungslänge)bis auf ca +/-20% symmetriert. Die Zuleitung zu den Gatebeschaltungen ist unkritischer.
  5. Jedes Bauteil wird bezüglich Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeit mit größerer Sicherheitsreserve als sonst üblich dimensioniert, denn trotz der hier genannten Maßnahmen können Asymmetrieen auftreten.

Sollten auf den Gateleitungen Schwingungen zu beobachten sein, kann es helfen, in jede Verbindung von Gatetreiber-Source zum Sourceanschluß des Schalters je einen Widerstand zu integrieren. Der Wert kann ist stark vom geschalteten Strom abhängig, und kann in erster Näherung so dimensioniert werden, daß an diesem Widerstand eine Spannung von ca. 1V abfällt. Dieser Spannungsabfall wirkt einer steigenden Gatespannung entgegen, und reduziert damit dI/dt am jeweils schnellsten Transistor. Achtung auf die Verlustleistung dieses Widerstandes. Sinnvoller ist jedoch das Design hinsichtlich parasitäer Induktivitäten und Kapazitäten zu prüfen und ggf zu optimieren.

Kühlung der Leistungshalbleiter

Anmerkung: Sollte ein Kenner dieses Thema (Falk?) die Zeit und Muse haben diesen Teil des Artikels sinnvoll in den wirklich schon guten Artikel Kühlkörper zu integrieren und hier zu verlinken, wäre ich dankbar ;-) die Zeit dafür habe ich im Moment nicht --Powerfreak

Beim Betrieb von Leistungshalbleitern wird Wärme erzeugt. Dies geschieht sowohl im eingeschalteten Zustand, als auch bei jedem Ein- und Ausschalten. Um eine Überhitzung und damit eine Zerstörung des Bauteiles zu verhindern muss diese Wärmeenergie entsprechend abgeführt werden. Ab einer Verlustleistung von ca. 1W ist es nicht mehr ausreichend wenn das Bauteil diese Energie nur abstrahlt, bzw. über Leitungen abführt. Am häufigsten werden diese Bauteile auf einen Kühlkörper geschraubt oder geklemmt, selten geklebt.

Sowohl die Oberfläche des Kühlkörpers als auch des wärmeerzeugende Bauteiles sind nicht eben und weisen eine gewisse Rauhigkeit auf. Dies bedeutet, dass sich die zwei Oberflächen nur punktuell berühren (meist nur mit wenigen Prozent der Gesamtfläche) und nicht auf der gesamten Fläche, für eine wirklsame Kühlung ist "Fläche" jedoch das "A und O".

Luft hat eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit und die Luft, die zwischen den zwei Oberflächen liegt, verhindert eine Wärmeleitung zwischen den zwei Teilen sehr effektiv. Als Daumenwert kann man sagen, dass 1µm Luft in etwa einem absoluten Wärmewiderstand von ca. 1K/W entspricht... jedoch wird es sich nur in den seltensten Fällen nur um einen Mikrometer handeln, sondern meistens deutlich mehr.

Wärmeleitmaterialien

Diese Materialien verbessern die thermische Anbindung zwischen einem Bauteil, das Wärme erzeugt, und dem Bauteil, das diese Wärme durch Wärmeleitung in ein Kühlmittel (Luft oder Wasser) abführt. Diese Materialien werden zwar "Wärmeleit" -Folie bzw. -Paste genannt, leiten die Wärme jedoch nicht besonders gut...aber immer noch um mindestens den Faktor 100 besser als Luft... und genau das ist der Grund, warum diese verwendet werden müssen. (Kupfer leitet Wärme um den Faktor 15400 besser als Luft) Die Pasten enthalten meist Öle bzw. Wachse und Fette als Bindemittel und zur besseren Wärmeleitung Metalloxide bzw. Metall- oder Kohlenstoffpartikel als wärmeleitende Füllstoffe. Der "vielfach punktuelle" Kontakt von Bauteil und Kühlkörperoberfläche ist für eine optimale Anbindung sehr wichtig, da über diese kleinsten Kontaktpunke sehr viel Energie abgeführt werden kann. Daher ist es bei Verwendung von Paste essentiell, die Paste "möglichst dünn" aufzutragen - gegebenenfalls mit z.B. einem Stahllineal abzuziehen - und den restlichen Überschuß, der den direkten Kontakt von Bauteil und Kühlkörper möglicherweise verhindern könnte, sorgfältig herauszupressen. Die Paste soll nur die Luft dazwischen ersetzen, und nicht eine durchgehende Schicht erzeugen(!).

Besondere Beachtung finden die Wärmeleitfolien, die auf beiden Seiten eine thermisch leitfähige, wachsartige Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtung schmilzt unter Wärmeeinwirkung auf und füllt die Spalten zwischen den Oberflächen besonders gut. Folien dieser Art werden Phase Change Material genannt. Auf Grund der Tatsache, daß das Material aufschmilzt, ist es erforderlich nach dem ersten Schmelzprozess den ursprünglich Anpressdruck des Bauteiles auf dem Kühlkörper durch nachspannen wieder herzustellen. Achtung: Vor dem Aufheizen und Nachspannen hat die Wärmeleitfähigkeit noch nicht die möglichen Minimalwerte erreicht. Zum Teil ist die Wärmeanbindung noch um Faktoren schlechter, daher beim ersten Einschalten noch nicht voll belasten.

Hier eine Übersicht über die Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Materialien:

Material Wärmeleitfähigkeit
[W/(m·K)] 		Kommentar
Kupfer 370 schwankt zwischen ca. 350..400
Aluminium 220
Stahl 50 hochlegierte Stähle <20
Eisen 80
Silber 430
Zinn 67
Blei 35
Wärmeleitpaste 3..10 viele verschiedene Sorten verfügbar
Luft 0,024
Wasser 0,6
Öl 0,15

Hier eine Übersicht über die Wärmeleitfähigkeit von ausgewählten Isolierfolien. Wenn jemand gute und bezahlbare Folien findet/kennt, bitte hier mit allen Daten angeben, um dem Nutzer die Entscheidung zu erleichtern:

Material Wärmeleitfähigkeit
[W/(m·K)]		 Größe / Menge Bezugsquelle ungefähre
Kosten
WÄRMELEITFOL.86/82 ROT 6,5 100×;100×0,25mm C 14€
Hinweis
Die Wärmeleitfähigkeit von Folien bezieht sich ausschließlich auf die Folie selbst. Selbst unter besten Bedingungen wird man die genannten Werte nicht erreichen, da durch den Übergang vom Bauteil in die Folie und von dort in den Kühlkörper ein zusätzlicher Wärmewiderstand entsteht. Eine Verschlechterung von ca. 30% oder mindestens 0,5K/W bei einem TO220-Bauteil ist zu erwarten.

Hier eine Übersicht über die Wärmeleitfähigkeit von ausgewählten Wärmeleitpasten. Wenn jemand gute und bezahlbare Pasten findet/kennt, bitte hier mit allen Daten angeben, um dem Nutzer die Entscheidung zu erleichtern:

Material Wärmeleitfähigkeit
[W/(m·K)]		 Größe / Menge Bezugsquelle ungefähre
Kosten
Artic Silver 8,9 3,5g C 13,95€
Standard Pasten auf Silikonbasis 3,0 3g..150g C / Rei / ... wenige €/g

Montagerichtlinien: Die so beliebten Bohrungen in eine blanken Kühlfahne des Transistors wie z. B. beim TO-220 Gehäuse suggerieren eine fantastisch einfache Montierbarkteit. Wird die Schraube aber nur ein klein wenig zu fest angezogen, verformt sich das Kupfer der Kühlfahne und sorgt dafür, dass sich der Kunststoff umpresste Teil des Transistors ein klein wenig abhebt. Dies hat eine deutlich schlechtere Wärmeanbindung zur Folge. Der im Folgenden beschriebene Montagevorschlag umgeht dieses Risiko.

  • Das Bauteil wird gegenüber der Stelle aufgepresst, an der die Verlustleistung entsteht, also direkt auf dem Kunststoff des Transistors über dem Chip.
  • Werden mehrere Bauteile parallel auf dem Kühlkörper montiert muss zweckmäßigerweise zwischen den Bauteilen mindestend soviel Abstand vorgesehen werden, wie die Breite des Bauteiles beträgt. Dies vermindert die gegenseitige, thermische Beeinflussing der Bauteile und ermöglicht eine bessere Wärmeabfuhr
  • Zur Montage mehrerer Bauteile eignet sich eine Metallschiene die direkt auf den Kunststoff des Leistungshalbleiters drückt sehr gut. Zwischen jedem Bauteil ist ein Verschraubungspunkt bzw. eine Federanpressung auf jedem Bauteil vorzusehen, damit jedes Bauteil gleichmäßig aufgedrückt wird.
  • Vor dem Aufbringen der Paste/Folie sowohl Bauteil als auch Kühlkörper mit Alkohol reinigen.
  • Die Wärmeleitwerte für eine Paste beziehen sich auf eine meist nicht genannte aber trotzdem minimale Schichtdicke. Diese gelingt relativ reproduzierbar, wenn die Paste mit einem flachen Gegenstand (Rasierklinge, Lineal, ...) aufgebracht, verteilt und vorsichtig abgezogen wird, sodass nur eine dünne Schicht auf dem Kühlkörper verbleibt. Dies erfordert einige Übung. Paste aufhäufeln, Bauteil eindrücken und befestigen erzielt bei weitem nicht die optimale Kühlleistung.

Zusätzliche Hinweise

Anregungen oder Fragen auch gerne per Email an Powerfreak. Dieser Artikel kann dadurch regelmäßig erweitert und ggf. durch ein FAQ ergänzt werden.

Siehe auch

Links

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