übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2020/21 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 4. Aufbau und Verhalten von Bauelementen Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Benennen Sie alle wichtigen Elemente! Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t! – Die pin-Diode – 4.1. Zeichnen Sie Aufbau, Kennlinie in Durchlass- und Sperrrichtung einer pin-Diode. 4.2. Zeichnen Sie eine Doppelpulsschaltung zur Messung des Schaltverhaltens von Bauelementen. Stellen Sie die Maschengleichung auf und leiten Sie die sich ergebende Differentialgleichung her. 4.3. Zeichnen Sie die Kennlinie von Strom und Spannung beim Schalten einer pin- Diode. Wie ver ndert sich die Kennlinie mit der Temperatur und warum 4.4. Worin besteht der Unterschied zwischen soften und snappigen Schaltverhalten Erl utern Sie die Bestimmung des Softfaktors anhand der Stromgradienten. Unterstützen Sie Ihre Erkl rung mit einer Zeichung. – Der Schottky-Kontakt – 4.5. Zeichnen Sie den Aufbau und erl utern Sie das Funktionsprinzip des Schottky- Kontakts. 4.6. Zeichnen Sie die Kennlinie einer Schottky-Diode in Durchlass- und Sperrrichtung und beschriften Sie alle relevanten Punkte. Wie ver ndert sich die Kennlinie mit der Temperatur und warum 4.7. Fassen Sie die Unterschiede zwischen Schottky- und pin-Dioden zusammen. Gehen Sie auch auf Schaltgeschwindigkeit und Schaltverluste ein. – Reihen- bzw. Parallelschaltung von Dioden – 4.8. Welche Vor- bzw. Nachteile ergeben sich durch die Reihen- bzw. Parallelschaltung von Dioden Welche Bauelemente mit solchen Kombination gibt es 4.9. Um wie viel Prozent kann man die Speicherladung senken, wenn man zwei Si-pin- Dioden mit je 300 V und einer Flussspannung UF = 1,2 V in Reihe schaltet 4.10. Skizzieren und beschreiben Sie die Struktur einer SiC MPS Diode. Welche Vorteile ergeben sich hier im Vergleich zur klassischen Schottky Diode. – Der MOSFET – 4.11. Zeichnen Sie den Aufbau und das Ersatzschaltbild eines vertikalen n-Kanal- MOSFETs. Erl utern Sie die Funktionsweise des MOSFETs. übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2020/21 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 4.12. Zeichnen Sie das Kennlinienfeld des MOSFET und beschriften Sie relevante Bereiche. 4.13. Skizzieren Sie den Querschnitt eines SiC JFETs und erkl ren Sie anhand dessen die Funktionsweise. – Der IGBT – 4.14. Zeichnen Sie den Aufbau und das Ersatzschaltbild eines IGBTs. Erl utern Sie die Funktionsweise des IGBTs. 4.15. Zeichnen Sie das Kennlinienfeld des IGBTs und beschriften Sie relevante Bereiche. 4.16. Zeichnen sie die Transferkennlinie des IGBTs bei Raumtemperatur und erh hter Temperatur. Welchen Einfluss hat der Betriebspunkt in der Transferkennlinie auf die Ausgangskennlinie des IGBTs – Der Thyristor – 4.17. Zeichnen Sie den Aufbau und das Ersatzschaltbild eines Thyristors. Erl utern Sie die Funktionsweise des Thyristors. 4.18. Zeichnen Sie das Kennlinienfeld des Thyristors und beschriften Sie relevante Bereiche. Wie ver ndert sich die Kennlinie mit der Temperatur und warum – Der HEMT – 4.19. Geben Sie die Grundstruktur von GaN HEMTs an. Was unterscheidet GaN HEMTs von anderen Leistungshalbleiterbauelementen (Orientieren Sie sich dabei an Application Note 002 des Herstellers Efficient Power Conversion.) 4.20. Erl utern Sie die Funktionsweise einer GaN Kaskode. Worin unterschieden sich Ausgang- und Transferkennlinienfeld von dem des MOSFETs 4.21. Welche Basismaterialien werden
für die Herstellung von GaN HEMTs verwendet. W gen Sie Vor- und Nachteile ab. übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2020/21 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 5. Durchlass-, Sperr- und Schaltverluste Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Benennen Sie alle wichtigen Elemente! Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t! – Durchlassverluste – 5.1. Durch welche Halbleitereigenschaften und Charakteristika werden Durchlass- verluste von Leistungsbauelementen bestimmt Wie ver ndern sie sich mit der Temperatur 5.2. Wie und warum ver ndern sich die Durchlassverluste von CAL-Dioden mit Tem- peraturerh hung anders als für normale pin-Dioden 5.3. Gegeben ist ein SiC MOSFET mit einem Durchlasswiderstand bei Raumtemperatur von 120 mΩ. Bestimmen Sie den maximalen Durchlassstrom des Anwenders untern Annahme eines thermischen Widerstandes von 2,6 W/K und einer maximalen Temperatur Sperrschichttemperatur von 150°C. – Sperrverluste – 5.4. Berechnen Sie die Sperrverluste einer 600V EMCON-Diode IDB06E60 FF300R12KE3 von Infineon Technologies anhand ihres Datenblatts. Wie ver n- dern sich die Verluste bei einer Temperaturerh hung um 125K gegenüber Raumtemperatur Welcher physikalische Parameter ist ma geblich für die Sperrverluste verantwortlich – Einschalten des IGBTs / MOSFETs und deren Einschaltverluste – 5.5. Zeichnen Sie den Kennlinienverlauf beim Einschalten eines MOSFETs bei induktiver Last. (Verlauf Gatespannung uG, Drainspannung uD und Drainstrom iD) 5.6. Leiten Sie eine Formel zur Berechnung der Einschaltverluste Won für einen MOSFET bei induktiver Last her. – Schaltverluste – 5.7. Zeichnen Sie den Kennlinienverlauf einer Diode beim Ausschalten. Wie werden die Verluste bestimmt Bis zu welchem Zeitpunkt muss der Vorgang betrachtet werden 5.8. Bestimmen Sie die Verlustleistung eines Wechselrichters mit IGBTs beim Schal- ten anhand des Datenblatts für das Modell FF300R12KE3 von Infineon Techno- logies. Sch tzen Sie ab, wie viel einzelne IGBTs in diesem Modul enthalten sein k nnten. 5.9. Welche M glichkeiten gibt es zur Verringerung der Schaltverluste Diskutieren Sie unterschiedliche M glichkeiten. übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2020/21 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 5.10. Der Schaltvorgang weist beim Ein- und Ausschalten auf Aspekt sowohl überspannungs- als auch überstromspitzen auf. Wodurch werden diese verursacht 5.11. Durch welche Schutzschaltung kann man entstehende überspannungen begren- zen und was muss dabei beachtet werden 5.12. Nennen Sie M glichkeiten die parasit re Induktivit t in leistungselektronischen Schaltungen zu bestimmen. Eine Diode wird bei einem Flussstrom von IF = 100 A durch Anlegen einer negativen Spannung Ubat = 600 V mittels idealem Schalter in den Sperrzustand überführt. Zum Zeitpunkt t0 = 0 ist der Diodenstrom iF = 0. Die in der Raumladungszone gespeicherte Ladungsmenge betr gt Qrr = 100 μAs. 5.13. Ermitteln Sie die Spannungsnachlaufzeit ts und die Rückstromspitze IRRM. Die im Stromkreis enthaltene Induktivit t betr gt Lpar = 3μH. Wie gro ist die Restladung Qr, die Nachlaufladung Qs und die komplette Sperrerholladung Qrr, wenn der Sperrstrom innerhalb von tf =1μs linear auf Null abklingt 5.14. Wie gro ist die Verlustleistung und die Verlustenergie bei einer Schaltfrequenz von f = 1 kHz Welche Werte würde sich idealerweise in der Diode bei einem realen Schalter (Transistor) ergeben