Full-Bridge Inverter with MOSFET Switches

Summary

In diesem Video wird der Betrieb eines Vollbrücken-Wechselrichters mit realen MOSFET-Schaltern und ihren Körperdioden erklärt. Dabei wird detailliert auf die Auswirkungen von Totzeiten zwischen den Schaltzuständen eingegangen, da diese die Ausgangsspannung beeinflussen. Der Wechselrichter verwendet Schalter, die sich nicht sofort ein- oder ausschalten lassen, was zu einer Verzögerung führt, die als Totzeit bezeichnet wird. Die Spannung über der Last hängt von der Stromrichtung ab, und die Spannungseinbrüche durch die Körperdioden der MOSFETs werden analysiert. Der Effekt dieser Spannungsabfälle ist in der Praxis oft gering, kann jedoch nicht vollständig ignoriert werden.

Takeaways

• 😀 Der Full-Bridge-Inverter verwendet reale MOSFET-Schalter anstelle idealer Schalter, wobei jeder MOSFET eine Körperdiode hat.
• 😀 Die Körperdiode eines MOSFETs hat eine bestimmte Polarität und wird als 'vf' (Forward Voltage) bezeichnet.
• 😀 Um Überschneidungen beim Umschalten der Schalter zu vermeiden, wird eine sogenannte 'Dead Time' eingeführt.
• 😀 Während der 'Dead Time' müssen wir die Schalter in einer komplementären Weise steuern, um Fehlfunktionen zu verhindern.
• 😀 Der erste Schaltzustand erzeugt eine positive Spannung (Vdc) am Ausgang, aber durch die Körperdiode kann ein negativer Spannungsabfall entstehen.
• 😀 Während der Übergänge zwischen den Schaltzuständen gibt es kleine Spannungseinbrüche durch den Vorwärtsspannungsabfall der Körperdiode.
• 😀 In jedem Schaltzustand wird der Fluss der Stromrichtung durch den MOSFET-Schalter und dessen Körperdiode bestimmt.
• 😀 Bei der Übergangszeit zwischen den Schaltzuständen muss der Strom immer durch die Körperdiode eines Schalter fließen, was zu einem Spannungsabfall führt.
• 😀 Während der Dead Time, wenn der Schalter deaktiviert ist, erzeugt die Körperdiode einen kleinen Spannungsabfall (entweder positiv oder negativ je nach Stromrichtung).
• 😀 In realen Anwendungen sind die Vorwärtsspannungsabfälle der Körperdiode oft klein im Vergleich zur Gesamtspannung, können aber nicht vollständig ignoriert werden.

Q & A

Was ist der Unterschied zwischen idealen Schaltern und realen MOSFET-Schaltern in einem Vollbrückenwechselrichter?

Der Unterschied besteht darin, dass reale MOSFETs zusätzlich zur Schaltfunktion eine Körperdiode besitzen, die den Stromfluss beeinflusst, wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Diese Diode führt zu einer Spannungsabfall (Vf), was bei idealen Schaltern nicht der Fall wäre.

Warum müssen die Schalter in einem Vollbrückenwechselrichter komplementär geschaltet werden?

Die Schalter müssen komplementär geschaltet werden, um sicherzustellen, dass immer nur einer der beiden Schalter in jedem Bein des Wechselrichters eingeschaltet ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Dadurch wird der ordnungsgemäße Betrieb der Schaltung gewährleistet.

Was versteht man unter 'Dead Time' im Zusammenhang mit dem Wechselrichter?

Dead Time bezieht sich auf die kleine Zeitspanne zwischen den Übergängen der Schalter, in der keiner der Schalter in einem Bein des Wechselrichters eingeschaltet ist. Diese Zeit ist notwendig, um sicherzustellen, dass keine gleichzeitige Aktivierung der Schalter stattfindet, was zu einem Kurzschluss führen würde.

Wie beeinflusst die Körperdiode der MOSFETs die Spannungsausgabe während der Dead Time?

Während der Dead Time fließt der Strom durch die Körperdiode eines ausgeschalteten MOSFETs, was zu einem Spannungsabfall (Vf) führt. Dieser Spannungsabfall beeinflusst die Ausgangsspannung des Wechselrichters, je nach Stromrichtung.

Was passiert, wenn der Strom während der Dead Time in die entgegengesetzte Richtung fließt?

Wenn der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, wird der Strom durch eine andere Körperdiode geleitet, und der Spannungsabfall (Vf) verändert sich, was zu einer positiven oder negativen Spannungsausgabe führen kann, abhängig von der Richtung des Stroms.

Warum ist der Spannungsabfall über die Körperdiode des MOSFETs während der Dead Time normalerweise relativ klein?

Der Spannungsabfall über die Körperdiode (Vf) ist im Vergleich zur Versorgungsspannung (Vdc) relativ klein. Daher hat er in vielen Fällen nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtspannung und kann oft vernachlässigt werden.

Wie kann man den Spannungsabfall aufgrund der Körperdiode während der Dead Time visualisieren?

Der Spannungsabfall aufgrund der Körperdiode kann durch ein Diagramm dargestellt werden, in dem für jede Übergangsphase des Schaltvorgangs die Spannung in Bezug auf die Richtung des Stroms und den Spannungsabfall der Diode aufgezeichnet wird.

Welche Auswirkungen hat die Dead Time auf die Spannungsausgabe des Wechselrichters?

Die Dead Time führt zu kleinen Spannungsabfällen, die entweder positiv oder negativ sein können, abhängig von der Stromrichtung. Diese Effekte sind zwar gering, aber sie sind während der Übergänge zwischen den Schaltzuständen sichtbar.

Warum wird in der Praxis die Dead Time normalerweise kürzer dargestellt als in der Darstellung des Skripts?

In der Praxis ist die Dead Time wesentlich kürzer als in der Darstellung des Skripts, aber für eine bessere Veranschaulichung wurde sie in der Darstellung vergrößert, um die Auswirkungen auf die Spannung klarer darzustellen.

Was ist der Hauptzweck der Dead Time in einem vollbrückigen Inverter mit realen MOSFETs?

Der Hauptzweck der Dead Time ist es, sicherzustellen, dass es keinen Kurzschluss gibt, indem er verhindert, dass zwei Schalter im selben Bein des Wechselrichters gleichzeitig eingeschaltet werden. Dies schützt die Schaltung vor Schäden und gewährleistet ihren ordnungsgemäßen Betrieb.