Warum müssen parasitäre Schwingungen vermieden werden?
- Sie erzeugen EMV Probleme.
- Sie erzeugen zu große unzulässige EMV Emissionen.
- Die Grenzen der gesetzlichen Vorschriften werden ggf. überschritten!
- Sie gefährden den Schalter und die Steuerelektronik selbst.
- Ein Redesign eines fertigen Umrichters kostet sehr viel Geld und Zeit.
Es werden vier Typen von parasitären Schwingungen in der Leistungselektronik unterschieden:
- PETT-Schwingungen, PETT = Plasma Extraction Transit Time.
- IMPATT-Schwingungen, IMPATT = IMPact Ionization Avalanche Transit Time.
- Linearschwingungen und Entsättigungsschwingungen.
- LC-Schwingungen.
PETT-Schwingungen, PETT = Plasma Extraction Transit Time
Diese Schwingung ist ein Laufzeiteffekt. Am Übergang von Raumladungszone zu Plasma werden Löcherpakette erzeugt. Diese wandern mit einer definierten Laufzeit durch die Raumladungszone, modulieren das elektrische Feld und verzögern die Spannungsänderung über das Bauelement. Hierdurch entsteht ein negativer Widerstand.
Die PETT-Schwingung in einer Diode. Simulationsergebnis von ADIOS.
Schematische Erklärung von dem Schwingungsmechanismus im Halbleiter. Der Zusammenhang zwischen den Löcherpaketen und dem Feld bei einer PETT-Schwingung. Von rechts nach links wird die Spannung über die Diode stetig kleiner.
IMPATT-Schwingungen, IMPATT = IMPact Ionization Avalanche Transit Time
Diese Schwingung ist ebenfalls ein Laufzeiteffekt. Am pn-Übergang werden bei hoher Feldstärke Löcher- und Elektronenpakete erzeugt. Die Elektronen wandern mit einer definierten Laufzeit durch die Raumladungszone, modulieren das elektrische Feld und verzögern die Spannungsänderung über das Bauelement. Hierdurch entsteht ein negativer Widerstand.
Die Abschaltung einer 8kV-Diode mit einer IMPATT-Schwingung, die hier durch einen Rückstromabriss angestoßen wird. Nach der IMPATT-Schwingung setzt eine LC-Schwingung ein. Dieses Simulationsergebnis stammt aus: „Das Abschaltverhalten von Leistungsdioden.“ Dissertation, Berlin 1988 von Paul Mourick. Siehe Downloads.
Schematische Erklärung von dem Schwingungsmechanismus im Halbleiter. Der Zusammenhang zwischen den Elektronen- paketen und dem Feld bei einer IMPATT-Schwingung. Von links nach rechts wird die Spannung über die Diode stetig kleiner.
Linearschwingungen wurden bereits vor mehr als 20 Jahre bei MOSFETs festgestellt. Siehe:
MOSPOWER Applications Handbook, Rudy Severns und Jack Armijos
ISBN 0-930519-00-0 © 1984 von Siliconix incorporated Santa Clara, California 95054
Schematische Erklärung von dem Schwingungsmechanismus. Der MOSFET mit seinen parasitären Kapazitäten ist eingebettet in einem Netzwerk von parasitären Induktivitäten. In Verbindung mit der Steilheit S = dID/dVGS kann eine schwingungsfähige Schaltung schon bei einem einzelnen MOSFET oder IGBT entstehen. Der Gatevorwiderstand Rg hat einen starken Einfluss auf die Schwingungsfähigkeit.
Entsättigungsschwingungen sind ein nicht linearer Sonderfall von Linearschwingungen. Sie können insbesondere während eines Kurzschlusses auftreten.
Sie können in folgenden Situationen auftreten:
- Beim Abreißen des Stromes einer Diode, eines MOSFETs oder eines IGBTs. Es entsteht eine leicht gedämpfte Schwingung von der Kapazität im Bauelement (hier im Bild Cce) mit der parasitären Zwischenkreisinduktivität.
- Nach einem Abschaltvorgang im Zwischenkreis zwischen Impuls- und Elektrolytkondensatoren.
Schematische Erklärung von den Schwingungsmechanismen. Vereinfachte Betrachtung mit zwei Schwingkreisen: