Ratgeber: Das Freilaufdioden-Mysterium Zweck einer Freilaufdiode in der Leistungselektronik

Von Gerd Kucera

Diese Anfrage stammt von einem anonymen Forumsteilnehmer: In einer Schaltung verstehe ich den Nutzen einer Diode am Transistor nicht (siehe Upload meiner Skizze). Können Sie mir die Funktionsweise und den Sinn erklären?

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Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Applikationsspezialist kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung im Detail.
Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Applikationsspezialist kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung im Detail.
(Bild: VCG)

Dazu antwortet Dr. Martin Schulz: „Der ein oder andere mag es aus ersten Versuchen mit elektronischen Bauteilen kennen. Man schaltet ein Relais mittels Transistors ein – das geht. Ausschalten geht auch noch aber das erneute Einschalten schlägt fehl und eine Messung zeigt, dass der Transistor defekt ist. Klare Ursache: Das Relais hat keine Freilaufdiode. Aber warum ist der Transistor dann zerstört? Ein Blick in die Grundschaltung und die simple Gleichung in Bild 1 zeigen schnell, was passiert ist:

Bild 1: Der Schaltvorgang mit Strom- und Spannungsverlauf ohne Freilaufdiode.
Bild 1: Der Schaltvorgang mit Strom- und Spannungsverlauf ohne Freilaufdiode.
(Bild: Martin Schulz)

Schaltet der Halbleiter ein, entsteht ein Stromfluss, der vom Widerstand der Spule im Relais und ihrer Induktivität L1 begrenzt ist. Nach kurzer Zeit ist der Strom konstant, das Relais hat angezogen, die Spannung am Halbleiter sinkt auf die Sättigungsspannung. Unmittelbar vor dem Ausschalten fließt im Halbleiter und in der Induktivität ein Strom. Direkt nach dem Ausschalten soll der Strom null sein, was eine nahezu unendlich große Stromsteilheit di/dt zur Folge hat.

Kirchhoff behält aber Recht – die Summe aller Spannungen ist null. Am schaltenden Halbleiter entsteht also eine Spannung UCE=UDC+L1di/dt. Mit einem di/dt in der Größenordnung kA/µs ergeben hunderte von Nanohenry der Relaisspule eine Überspannung von mehreren hundert Volt; der Halbleiter wird durch die Überspannung zerstört.

Durch Einbau einer Freilaufdiode, wie in Bild 2 zu sehen, ergibt sich eine funktionsfähige Version: Schaltet der IGBT den Strom jetzt ab, kann die Induktivität L1 den Strom über die Freilaufdiode im Kreis, dem sogenannten Freilaufpfad (rot eingezeichnet), weitertreiben. Der ohmsche Anteil im Aufbau baut den Strom ab, die Schalthandlung kann gefahrlos geschehen.

Bild 2: Der Schaltvorgang mit Strom- und Spannungsverlauf mit Freilaufdiode.
Bild 2: Der Schaltvorgang mit Strom- und Spannungsverlauf mit Freilaufdiode.
(Bild: Martin Schulz)

Eine kleinere Überspannung am Schalter tritt weiterhin auf, da eine minimale Induktivität (Lsigma) im Aufbau erhalten bleibt. Diese verbleibende Induktivität wird als parasitäre- oder Streuinduktivität bezeichnet und entsteht, weil jedes metallische Verbindungselement eine geringe Induktivität besitzt.

Soweit die Theorie, in der Praxis gilt es dennoch einiges zum Thema Freilaufdiode zu beachten: Damit der Transistor wirklich geschützt wird ist es unumgänglich, dass die Diode den Strom mit der gleichen Geschwindigkeit aufnehmen kann, mit der der schaltende Halbleiter ihn abschaltet. Kommt eine zu träge Diode zum Einsatz ist der Schalter eventuell schon beschädigt, bevor der Strom auf die Diode kommutiert ist.

Eine weitere wichtige Betrachtung gilt der Frage, wie die thermische Belastung der Freilaufdiode einzustufen ist. Im Beispiel des Relais, das dem Einsatz im Brems-Chopper eines Umrichters ähnlich ist, muss die Diode nur gelegentlich arbeiten und nur die Energie beherrschen, die in der Induktivität gespeichert ist. Hierbei fällt die thermische Belastung gering aus, die Optimierung der Diode geht daher in Richtung geringe Größe und damit geringere Kosten. In Brems-Choppern finden sich daher oft Kombinationen, in denen die Diode, thermisch limitiert, nur einen Bruchteil der Stromtragfähigkeit des eingesetzten Schalters aufweist.

Auch in der Endstufe eines üblichen Umrichters müssen Freilaufdioden enthalten sein, da die Last in nahezu allen industriellen Fällen eine Induktivität ist – zum Beispiel ein Motor wie in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Die Endstufe eines Umrichters mit Schaltern, Freilaufdioden und Motor.
Bild 3: Die Endstufe eines Umrichters mit Schaltern, Freilaufdioden und Motor.
(Bild: Martin Schulz)

Im motorischen Betrieb teilen sich die Stromflusszeiten zwischen Schalter und Freilaufdiode entsprechend des Wirkleistungsfaktors auf. Ein cos(phi) von 0,8 ist typisch für Motoren und führt zu Stromfluss im IGBT von 80% der Zeit und in der Diode zu 20% der Zeit. Folgerichtig kann für 100% IGBT-Strom die Diode kleiner ausfallen.

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(Bildquelle: VCG)

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Lernen Sie im Austausch mit Experten aus der Industrie Leistungshalbleiter richtig anzuwenden, welchen Einfluss parasitäre Effekte auf den Leistungsteil haben und wie man sie clever nutzen kann.

Wird Rückspeisung von Energie verlangt, wird der Wirkleistungsfaktor negativ und die Verhältnisse kehren sich um. Dann fließt 80% der Zeit Strom in den Dioden, was eine entsprechende Dimensionierung mit sich bringt.

Fazit: Beim Aufbau von leistungselektronischen Systemen ist daher die Wahl der Freilaufdiode vom Einsatzfall abhängig. Eine thermische Betrachtung die Schalter und Diode im Detail erfasst ist immer empfehlenswert.“

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