Schaltverlustleistung

Schaltverlustleistung bezeichnet diejenige Fraktion der elektrischen Verlustleistung eines Leistungshalbleiters, die in den Umschaltvorgängen zwischen leitend und sperrend entsteht. Sie resultiert aus der endlichen Schaltzeit von Bauelementen wie MOSFETs, IGBTs und Dioden und nimmt mit zunehmender Schaltfrequenz typischerweise zu.

Entstehung und Mechanismen: Während Turn-On und Turn-Off überlappen sich Strom und Spannung, sodass während der Übergangszeit Leistung dissiliert wird. Zusätzlich entstehen Freilauf- oder Rekombinationsverluste, beispielsweise durch Rekombination von Ladungsträgern in Dioden oder durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten. Die Verluste hängen stark von dv/dt, di/dt, Temperatur und Layout ab.

Berechnung und Messung: Die Schaltverlustleistung wird oft durch die Schaltenergie E_on bzw. E_off beschrieben: P_sw = (E_on + E_off) · f_sw oder P_sw = f_sw · ∫ v(t) i(t) dt über die Umschaltperiode. Messungen erfolgen typischerweise mittels Double-Pulse-Test (DPT) oder Kalorimetrie, wobei Spannungs- und Stromwellenformen mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden.

Einflussfaktoren: Schaltfrequenz, Laststrom, Spannungsniveau, Bauteilcharakteristika, Gate-Treiber-Eigenschaften, Temperatur und Layout. Höhere Frequenzen erhöhen die Schaltverluste, während parasitäre Effekte in Leiterbahnen und Gehäusen zusätzliche Verluste verursachen.

Reduktion: Strategien umfassen Soft-Switching (ZVS/ZCS), Optimierung von Gate-Timing und Gate-Widerständen, Snubber-Schaltungen, Minimierung von dv/dt und di/dt, Auswahl von Bauteilen mit geringeren Schaltverlusten und gegebenenfalls eine Anpassung der Betriebsfrequenz oder des Kühlkonzepts.

Bedeutung und Abgrenzung: Schaltverluste sind ein zentraler Faktor für die Gesamteffizienz von Umrichtern, Wechselrichtern und Netzteilen. Sie unterscheiden sich von den Leitungsverlusten (Conduction Losses), die während der leitenden Phase auftreten.