Schaltverluste

Schaltverluste sind die Verlustleistung, die in Leistungshalbleitern während der Umschaltung von Ein- auf Aus-Zustand beziehungsweise umgekehrt entsteht. Sie treten auf, weil während der Umschaltvorgänge sowohl eine endliche Spannung über dem Bauteil als auch eine endliche Stromgröße durch dieses fließt. Typische Bauteile, in denen Schaltverluste auftreten, sind MOSFETs, IGBTs und Thyristoren in Leistungselektronik-Anwendungen wie Wechselrichtern, Netzteilen oder Antriebssystemen. Additiv können auch Leckströme und Dioden-Reverse-Recuperation zu zusätzlichen Verlusten beitragen.

Ursachen und Mechanismen der Schaltverluste liegen in zwei Bereichen: Turn-on- und Turn-off-Vorgänge. Während des Einschaltens fällt kurzzeitig sowohl Spannung am Bauteil als auch Strom durchfließt, wodurch Energie E_on pro Umschaltung verloren geht. Ebenso entstehen beim Ausschalten E_off und damit Schaltverluste P_sw = f_sw · (E_on + E_off). Die konkrete Energie hängt von den Pegeln von V_ds und I, der Form der Transitionskurven sowie von Tail- oder Reverse-Recovery-Effekten ab. Typischerweise wird E_sw als Integral von v(t)i(t) über die Umschaltzeit definiert.

Schaltverluste wachsen mit der Ausschalt- und Einschaltfrequenz, der Betriebs spannung und dem Laststrom. Höhere Temperaturen erhöhen oft die Rds(on) und verlängern Übergangszeiten, wodurch die Verluste weiter ansteigen. Zur Reduktion dienen weiche Schaltkonzepte, optimierte Gate-Ansteuerung, Snubbernetze, freigegebene Soft-Switching-Verfahren, bessere Bauteilwahl (geringe E_sw, niedriges Qrr) sowie Layout- und Kühlungsoptimierung.

In der Praxis werden Schaltverluste oft als Energie pro Umschaltung E_sw oder direkt als Leistung P_sw = f_sw · E_sw angegeben und bei der Auslegung von Umrichtern und Antriebssystemen berücksichtigt.