In diesem Kapitel werden Schalter verglichen. Sie werden anhand der Kriterien Verlustleistung, Schaltfrequenz, Flexibilität, Spannungsfestigkeit und Kosten bewertet.
Statische Verlustleistung
Statische Verlustleistung tritt nur bei geschlossenen Schaltern auf. Offene Schalter führen keinen Strom, deshalb beträgt deren Leistung immer P = 0W. An geschlossenen idealen Schaltern liegt die Spannung U = 0V an. Reale Schalter weisen immer eine Restspannung auf.
Dioden weisen im Wesentlichen die Flussspannung UF auf, wenn sie Strom leiten. Die Spannung ist relativ hoch, dafür bei kleinem Diodenwiderstand wenig vom Strom abhängig.
Mosfets haben einen ON-Widerstand RDS,ON zwischen Drain und Source. Die Spannung im leitenden Zustand ist damit abhängig vom Strom. Bei guten Mosfets ist die Spannung relativ klein.
IGBTs weisen im geschlossenen Zustand eine relativ große Sättigungsspannung UCE,sat auf. Die Spannung steigt dafür nur wenig mit dem Strom an. Damit ähneln sich IGBT und Diode an diesem Punkt.
Dynamische Verlustleistung
Die dynamische Verlustleistung tritt beim Schalten auf. Während des Schaltvorgangs treten Spannung und Strom am Bauelement kurzzeitig gleichzeitig auf. Je kürzer die Schaltdauer ist, desto geringer sind die dynamischen Verluste. Generell gilt: Je mehr Spannung und Strom ein Bauteil schalten kann, desto langsamer schaltet das Bauteil.
Dioden schalten eher langsam. Es gibt neue technologische Ansätze wie z. B. SIC-Dioden, die schneller schalten. Dennoch sind Dioden beim Schalten eher Bremser.
Mosfets schalten sehr schnell. Ihre dynamischen Verluste sind gering.
IGBTs schalten eher langsam. Ihre dynamischen Verluste sind hoch.
Zu diesem Thema wird es noch ein separates Kapitel geben. In der Übersicht darf dieser zentrale Parameter dennoch nicht fehlen.
Schaltfrequenz
Die maximal mögliche Schaltfrequenz eines Schalters hängt von der Schaltdauer ab. Man kann einen Schalter erst wieder öffnen, nachdem er vollständig geschlossen war. Langsam schaltende Bauelemente weisen also auch eine niedrige maximale Schaltfrequenz auf.
Flexibilität
Dioden sind unflexibel, denn sie schalten automatisch. Sobald eine Spule Strom durch eine Diode drückt oder eine ausreichend hohe Spannung anleigt, schließen sie. Sonst sind sie offen. Sie können nicht am Schalten gehindert werden.
Mosfets und IGBTs werden über eine Steuerspannung geöffnet und geschlossen. Nur ihre parasitären Dioden sind unflexibel, siehe Dioden.
Spannungsfestigkeit
Die Spannungsfestigkeit eines Schalters bestimmt seine maximale Sperrspannung im offenen Zustand. Wird diese Spannung überschritten, fließt im eigentlich offenen Zustand Strom. Das führt in typischen Schaltungen zu einem Kurzschluss der Eingangsquelle, so dass irgendwas kaputtgeht.
Die Spannungsfestigkeit von Dioden kann in sehr weiten Bereichen zwischen wenigen Volt und mehreren 1000V eingestellt werden.
Die maximale Spannungsfestigkeit von Mosfets liegt im Bereich mehrerer 100V. Die Eigenschaften vom Mosfets werden mit höherer Spannungsfestigkeit immer schlechter, so dass ab etwa 600V IGBTs insgesamt besser sind.
IGBTs sind bis etwa 6500V spannungsfest. Danach müssen Sie leider Thyristoren einsetzen.
Kosten
Bauelemente kosten i. A. mehr, je höher ihre Spannungsfestigkeit und ihre Stromtragfähigkeit sind. Dioden sind einfach aufgebaut und damit billig. Mosfets und IGBTs liegen in ihren Gesamtkosten höher, weil sie etwas komplexer sind und Treiber zur Ansteuerung notwendig sind.