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 Qualität!
- 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 verändert sich die Kennlinie mit der Temperatur und warum?
4.4. Worin besteht der Unterschied zwischen soften und snappigen Schaltverhalten?
Erläutern Sie die Bestimmung des Softfaktors anhand der Stromgradienten.
Unterstützen Sie Ihre Erklärung mit einer Zeichung.
- Der Schottky-Kontakt -
4.5. Zeichnen Sie den Aufbau und erläutern 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 verändert 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. Erläutern Sie die Funktionsweise des MOSFETs.
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4.12. Zeichnen Sie das Kennlinienfeld des MOSFET und beschriften Sie relevante
Bereiche.
4.13. Skizzieren Sie den Querschnitt eines SiC JFETs und erklären Sie anhand dessen
die Funktionsweise.
- Der IGBT -
4.14. Zeichnen Sie den Aufbau und das Ersatzschaltbild eines IGBTs. Erläutern 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 erhöhter
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. Erläutern Sie
die Funktionsweise des Thyristors.
4.18. Zeichnen Sie das Kennlinienfeld des Thyristors und beschriften Sie relevante
Bereiche. Wie verändert 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. Erläutern 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. Wägen Sie Vor- und Nachteile ab.

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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 Qualität!
- Durchlassverluste -
5.1. Durch welche Halbleitereigenschaften und Charakteristika werden Durchlass-
verluste von Leistungsbauelementen bestimmt? Wie verändern sie sich mit der
Temperatur?
5.2. Wie und warum verändern sich die Durchlassverluste von CAL-Dioden mit Tem-
peraturerhöhung 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 verän-
dern sich die Verluste bei einer Temperaturerhöhung um 125K gegenüber
Raumtemperatur? Welcher physikalische Parameter ist maßgeblich 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. Schätzen Sie ab, wie viel einzelne IGBTs in diesem Modul enthalten sein
könnten.
5.9. Welche Möglichkeiten gibt es zur Verringerung der Schaltverluste? Diskutieren
Sie unterschiedliche Möglichkeiten.
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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 Möglichkeiten die parasitäre Induktivität 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 beträgt Qrr = 100 μAs.
5.13. Ermitteln Sie die Spannungsnachlaufzeit ts und die Rückstromspitze IRRM. Die im
Stromkreis enthaltene Induktivität beträgt Lpar = 3μH. Wie groß 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 groß 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?