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Static Conduction Losses

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Ein realer Schalter weist „statische Verluste“ auf, so lange Strom über den Schalter fließt. Bei einer PWM-Ansteuerung gibt der Duty-Cycle an, wie lange Strom über einen Schalter fließt. In einer Brückenschaltung aus zwei Schaltern mit induktiver Last leitet immer entweder der obere oder der untere Schalter den Strom. An einem der Schalter fallen also immer statische Verluste an.

Halbbrücke mit Spule als Last: Stromfluss über S1 (links) und über S2 (rechts) — Ein = on · Aus = off

Ein realer Mosfet-Schalter weist einen ON-Widerstand R_DS,ON zwischen Drain und Source auf. Der Wert ist im Datenblatt definiert. Er liegt im Bereich weniger mΩ. Dieser Widerstand wird über den Steuereingang (Gate) eingestellt. Für die statischen Verluste gilt:

\[ \begin{gathered} \text{Statische Verluste am MOSFET} \\[6pt] P = U \cdot I \\[6pt] U = R_{DS,\mathrm{On}} \cdot I \\[6pt] P_{\mathrm{MOSFET}} = R_{DS,\mathrm{On}} \cdot I^2 \\[6pt] \text{Abhängig von Laststrom und Duty Cycle:} \\[6pt] P_{\mathrm{stat}} = k \cdot I_{\mathrm{Last}}^2 \cdot R_{DS,\mathrm{On}} \\[6pt] k\ [0 \ldots 1]\text{: Anteil der Zeit, die der Schalter Strom trägt} \end{gathered} \]

Ein realer IGBT-Schalter weist eine ON-Spannung oder Sättigungsspannung U_CE,SAT zwischen Kollektor und Emitter auf. Der Wert ist im Datenblatt definiert. Die Spannung liegt im Bereich 1V … 3V. Die Sättigungsspannung wird bei höherem Strom größer. Je höher die Spannungsfestigkeit des IGBTs ist, desto höher ist i. A. die Sättigungsspannung. Für die statischen Verluste gilt:

\[ \begin{gathered} \text{Statische Verluste am IGBT} \\[6pt] P_{\mathrm{IGBT}} = U_{CE,\mathrm{SAT}} \cdot I \\[6pt] \text{Abhängig von Laststrom und Duty Cycle:} \\[6pt] P_{\mathrm{stat}} = k \cdot U_{CE,\mathrm{SAT}} \cdot I_{\mathrm{Last}} \\[6pt] k\ [0 \ldots 1]\text{: Anteil der Zeit, die der Schalter Strom trägt} \end{gathered} \]

Eine reale Diode weist eine Flussspannung auf, wenn Strom durch die Diode fließt. Sie liegt im Bereich 1V … 2V. Die Flussspannung steigt ebenfalls mit dem Strom und mit der Spannungsfestigkeit der Diode. Es gilt:

\[ \begin{gathered} \text{Statische Verluste an einer Diode} \\[6pt] P_{\mathrm{Diode}} = U_F \cdot I \\[6pt] \text{Abhängig von Laststrom und Duty Cycle:} \\[6pt] P_{\mathrm{stat}} = k \cdot U_F \cdot I_{\mathrm{Last}} \\[6pt] k\ [0 \ldots 1]\text{: Anteil der Zeit, die der Schalter Strom trägt} \end{gathered} \]