Grundlagen der Leistungselektronik: Bauelemente

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Geschrieben am 31. Mai 2026 in Deutsch mit einer Größe von 6,86 KB

Unterschiede zwischen BJT und MOSFET

Bipolartransistoren (BJTs) zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus und sind in Stromrichtern bei Frequenzen unter 10 kHz verbreitet. Sie werden typischerweise in Anwendungen bis 1200 V und 400 A eingesetzt. Ein Bipolartransistor verfügt über drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Er arbeitet in der Regel als Schalter in der Emitterschaltung.

Wenn das Potenzial an der Basis eines NPN-Transistors höher ist als am Emitter und der Basisstrom groß genug ist, um den Transistor in den Sättigungsbereich zu steuern, bleibt der Transistor eingeschaltet, sofern die Kollektor-Emitter-Strecke korrekt polarisiert ist.

Der Spannungsabfall eines durchgesteuerten Transistors liegt im Bereich von 0,5 bis 1,5 V. Wird die Basisspannung entfernt, geht der Transistor in den nichtleitenden Modus (deaktiviert) über.

Leistungs-MOSFETs werden in High-Speed-Stromrichtern verwendet. Sie sind für relativ geringe Leistungen im Bereich von 1000 V und 50 A bei Frequenzen von einigen zehn kHz verfügbar.

Merkmale eines IGBT-Gates

IGBTs sind spannungsgesteuerte Transistoren. Sie sind von Natur aus schneller als BJTs, erreichen jedoch nicht die Geschwindigkeit von MOSFETs. Sie bieten jedoch hohe Spannungs- und Leistungsmerkmale bei hohen Strömen und Frequenzen bis 20 kHz. IGBTs sind bis zu 1200 V und 400 A spezifiziert.

Merkmale eines MCT-Gates

Ein MCT (MOS-Controlled Thyristor) kann durch einen kleinen negativen Spannungsimpuls am MOS-Gate (bezogen auf die Anode) aktiviert und durch einen kleinen positiven Spannungsimpuls deaktiviert werden.

Merkmale eines SIT-Gates

Ein SIT (Static Induction Transistor) ist für hohe Leistungen und hohe Frequenzen ausgelegt. Es ist im Wesentlichen die Halbleiterversion einer Vakuum-Triode und vergleichbar mit einem JFET. Er zeichnet sich durch geringes Rauschen, geringe Verzerrungen und hohe Frequenztreue aus. Die Schaltzeiten sind sehr kurz, in der Regel 0,25 µs.

Die Charakteristik der aktiven Regelung und der hohe Spannungsabfall begrenzen die Anwendungen für die Netzstromumwandlung. Die Spezifikation liegt bei bis zu 1200 V und 300 A, die Schaltgeschwindigkeit kann bis zu 100 kHz betragen. Der SIT eignet sich für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen (Audio-, VHF/UHF- und Mikrowellenverstärker).

Unterschiede zwischen BJT und IGBT

IGBT: Spannungsgesteuert, schneller als BJT, geeignet für hohe Spannungen und Ströme, Frequenzen bis 20 kHz, bis 1200 V/400 A.
BJT: Stromgesteuert, langsamer als IGBT, weniger geeignet für sehr hohe Spannungen/Ströme, Frequenzen unter 10 kHz, bis 1200 V/400 A.

Unterschiede zwischen MCT und GTO

GTO: Aktivierung durch positiven Impuls, Deaktivierung durch negativen Impuls, keine Kommutierungsschaltung erforderlich, attraktiv für Schaltregler, bis 400 V/3000 A.
MCT: Aktivierung durch negativen Spannungsimpuls am MOS-Gate, Deaktivierung durch positiven Impuls, sehr hohe Verstärkung, bis 1000 V/100 A.

Unterschiede zwischen SIT und GTO

Sowohl GTO als auch SIT werden durch einen positiven Impuls aktiviert und durch einen negativen Impuls deaktiviert.
SITs sind bis 1200 V/300 A spezifiziert, GTOs bis 4000 V/300 A.
SITs werden für mittelfristige Stromrichter eingesetzt und erreichen Frequenzen von mehreren hundert kHz, was weit über dem Bereich des GTO liegt.

Leistungsdioden

Arten von Leistungsdioden

Standarddioden für den allgemeinen Gebrauch, Fast-Recovery-Dioden, Schottky-Dioden.

Leckstrom

Wenn das Anodenpotenzial positiv gegenüber der Kathode ist, leitet die Diode (Durchlassrichtung). Ist das Potenzial der Kathode positiv gegenüber der Anode, ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt (Sperrstrom im mA- bis µA-Bereich), der bis zur Lawinen- oder Z-Spannung ansteigt.

Reverse-Recovery-Zeit (trr)

Das Zeitintervall zwischen dem Nulldurchgang des Stroms beim Wechsel vom leitenden in den sperrenden Zustand und dem Abfall des Sperrstroms auf 20 % des Spitzenwerts. Die Zeit hängt von der Sperrschichttemperatur, der Stromänderungsrate und dem Gleichstrom vor dem Wechsel ab.

Rückstrom

Der Strom, der durch Minoritätsträger fließt, wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird.

Weichheitsfaktor

Das Verhältnis von tb zu ta. ta wird durch die gespeicherte Ladung in der Verarmungszone erzeugt, tb durch die Ladungsspeicherung im Halbleitermaterial.

Fast-Recovery-Dioden

Diese Dioden haben eine geringe Erholungszeit (unter 5 µs) und werden in Konvertern eingesetzt. Epitaxial-Dioden bieten höhere Schaltgeschwindigkeiten als Diffusionsdioden. Bei Spannungen über 400 V werden Fast-Recovery-Dioden durch Diffusion hergestellt, wobei die Erholungszeit durch Dotierung mit Gold oder Platin gesteuert wird.

Ursache der Reverse-Recovery-Zeit

Beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand verbleiben Minoritätsträger im pn-Übergang, die erst abgebaut werden müssen.

Auswirkung der Reverse-Recovery-Zeit

Sie begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchlassstroms und die Schaltgeschwindigkeit.

Schottky-Dioden

Schottky-Dioden vermeiden das Problem der Ladungsspeicherung eines pn-Übergangs. Die Sperrverzögerungsladung ist viel geringer, der Leckstrom jedoch höher. Sie sind auf 100 V begrenzt und ideal für Hochstrom-Niederspannungs-Gleichstromversorgungen.

Reihenschaltung von Dioden

Wenn die benötigte Sperrspannung die Spezifikation einer einzelnen Diode übersteigt, werden Dioden in Reihe geschaltet, um die Sperrfähigkeit zu erhöhen.