Einschaltzeit

Die Einschaltverzögerung ist die verstrichene Zeit zwischen dem Eintreffen eines Gate-Signals und dem Moment, in dem ein Halbleiterschalter (typischerweise ein Thyristor, MOSFET oder IGBT) die volle Durchleitfähigkeit erreicht. Sie wird in Mikrosekunden oder Nanosekunden gemessen, je nach Gerätetyp und Schaltungsbedingungen. Dieses Intervall umfasst mehrere unterschiedliche Phasen: Verzögerungszeit (Zeit vor jeder Änderung), Anstiegszeit (der Übergang von Sperrbereich zu Durchleitbereich) und in manchen Geräten auch Speicherzeit. Der Schalter springt nicht augenblicklich an; er durchläuft verschiedene Zwischenzustände der Impedanz.

Bei Thyristoren und IGBTs hängt die Einschaltverzögerung stark von der Sperrschichtkapazität, den Dotierungsprofilen und der Größe des angelegten Gate-Stroms ab. Ein größerer Gate-Impuls (höhere Spannung oder höherer Strom) verkürzt die Einschaltverzögerung, indem die Gate-Kapazität schneller aufgeladen wird. Die Temperatur beeinflusst sie ebenfalls: höhere Sperrschichttemperaturen verlängern typischerweise die Einschaltverzögerung, weil die Ladungsträger-Beweglichkeit abnimmt. MOSFETs zeigen in der Regel kürzere Einschaltverzögerungen als Thyristoren, oft im Nanosekundenbereich, da sie auf Feldeffekt statt auf Ladungsträgerinjektion beruhen.

Warum das in der Praxis zählt

Während des Einschaltens setzt das Bauteil Energie als i2r-Verluste um, während sich Spannung und Strom gleichzeitig über ihm verändern. Eine lange Einschaltverzögerung bedeutet eine ausgedehnte Überlagerung zwischen hohem Strom und hoher Spannung, was unerwünschte Wärmeerzeugung und Belastung zur Folge hat. Bei hochfrequenten Schaltnetzteilen und Wechselrichtern, die im kHz- oder MHz-Bereich arbeiten, können sich die angehäuften Einschaltverluste zu einer erheblichen Wärmebelastung entwickeln. Designer wählen schnellere Schalter oder Gate-Treiber, um diese Totzeit zu verringern, aber schnellere Schalter führen zu Rausch- und elektromagnetischen Störungsproblemen.

Datenblätter listen die Einschaltverzögerung unter definierten Testbedingungen auf: eine festgelegte Versorgungsspannung, Gate-Treibersspannung, Laststrom und Umgebungstemperatur. Abweichungen von diesen Grundbedingungen verschieben die tatsächliche Einschaltverzögerung im Feld. Induktive Snubber, Gate-Widerstände und die Schaltung des Treibers beeinflussen alle die tatsächliche Einschalgeschwindigkeit, die man in der Ausrüstung beobachtet. In der Leistungselektronik fließt die Einschaltverzögerung direkt in die Kommutierungsverluste und Wirkungsgradberechnungen für Motoren, Umrichter und Schweißgeräte ein.