Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK
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Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Best Of Elektronik www.kurcz.cc © Florian Kurcz - 2010 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Inhaltsverzeichnis Florian Kurcz 1 1.1.1 Thyristor ............................................................................................................. 3 Schaltszeichen ......................................................................................................................... 3 1.2 1.3 Eingangskennlinie: .............................................................................................................................. 3 Ausgangskennlinie: ............................................................................................................................. 4 2 DIAC ...................................................................................................................... 5 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Dotierungsfolge ....................................................................................................................... 5 Schaltsymbol ........................................................................................................................... 5 Kennlinie .................................................................................................................................. 5 3 TRIAC.................................................................................................................... 6 3.1 Aufbau: ..................................................................................................................................................... 7 3.1.1 3.1.2 Prinzip: ..................................................................................................................................... 7 Schaltsymbol: .......................................................................................................................... 7 3.2 3.3 Kennlinie: ................................................................................................................................................ 7 Verwendung: .......................................................................................................................................... 8 4 Leistungs-MOSFET ........................................................................................... 9 4.1 Aufbau.................................................................................................................................................... 10 5 IGBT ................................................................................................................... 10 5.1 Aufbau: .................................................................................................................................................. 11 5.1.1 5.1.2 Ersatzschaltung:..................................................................................................................... 11 Schaltsymbol: ........................................................................................................................ 11 [2] Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Thyristor Florian Kurcz 1 Eingangskennlinie: Thyristor Der Name Thyristor setzt sich aus Thyratron und Transistor zusammen. Thyratron waren Quecksilber Dampf gefüllte Gleichrichterröhren. Im englischen Sprachraum (SCR = silicon controlled rectifier) Der Thyristor ist ein 4-Schicht Leiter Bauelement, bestehend aus einer Silizium Scheibe, die die Dotierungsfolge PNPN aufweist. A …... Anode A P N P N K K ...… Kathode G …... Gate G Dadurch entstehen im inneren 3PN Übergänge, von denen der Mittlere umgekehrte Polarität besitzt. Somit sperrt der Thyristor in beiden Richtungen. Liegt an der äußeren P-Schicht eine positive bzw. an der N-Schicht eine negative Spannung, so ist der Thyristor in Vorwärtsrichtung geschaltet. Es sperrt nur der mittlere PN Übergang. Wird nun an die innere P Schicht eine positive Spannung angelegt so wird durch den fließenden Strom die Sperrschicht mit Ladungsträger überflutet. Damit verhält sich dieser Teil des Thyristors wie eine große N-Schicht d.h. der gesamte Thyristor arbeitet wie eine Diode in Durchlassrichtung. Nach dem Zünden des Thyristors kann die Gate-Spannung abgeschaltet werden, da durch den Hauptstrom die Überflutung der Gatezone mit Ladungsträger aufrechterhalten wird. Der Thyristor verlöscht erst wieder, wenn der Hauptstrom 0 wird. Bei negativer Polung sperren die beiden äußeren PN-Übergänge und der Thyristor verhält sich wie eine Diode in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung). 1.1.1 Schaltszeichen P-Gate-Thyristor A N-Gate-Thyristor A K Thyristortetrode G1 K A G G K G2 1.2 Eingangskennlinie: IG [mA] 30 20 Ptot sicher Zünden 10 wahrscheinlich Zünden sicher nicht Zünden UGK [V] 1 2 3 www.kurcz.cc | 3 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Thyristor Florian Kurcz Ausgangskennlinie: Die Eingangskennlinie entspricht einer Diodenkennlinie. Die für das Zünden notwendigen Ströme liegen sehr nahe an der PTot Grenze, daher werden zum Ansteuern nur kurze Stromimpulse verwendet die in den PTot Bereich hineinreichen. 1.3 Ausgangskennlinie: IT Durchlasskennlinie IG3>IG2>IG1>0 IG3 IG2 IG1 IH UBR IG=0 UB0 UT Ohne Gatestrom zündet der Transistor bei UB0 (äußerer PN-Übergang bricht durch.) Man bezeichnet das auch als Zünden über Kopf. Beim einspeisen eines Gatestromes genügen entsprechend kleinere Gate-Spannungen zum Zünden. Nun verhält sich der Thyristor wie eine Diode in Durchlassrichtung, wird allerdings der Strom IH (Haltestrom) unterschritten, so kann die Überflutung der Gatezone nicht mehr aufrecht erhalten werden und der Thyristor verlöscht. Die Ansteuerung des Thyristors erfolgt durch Anlegen einer Zündspannung zum gewünschten Zeitpunkt. D ist eine Schutzdiode für negatives UGK Rv U~ D UTh α .... Zündwinkel γ .... Stromflusswinkel α+γ=180° UTh t α γ i t www.kurcz.cc | 4 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Florian Kurcz DIAC Ausgangskennlinie: Nach dem Spannungsnulldurchgang beginnt die Spannung am Spannungsnulldurchgang zu steigen, bis der Storm groß genug ist, um den Thyristor zu zünden, danach fließt durch den Thyristor Strom bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang. Während der negativen Halbwelle sperrt der Thyristor, bei der nächsten positiven Halbwelle beginnt der Vorgang neuerlich. Über die Höhe des Widerstandes, kann eingestellt werden, bei welcher Spannung der Thyristor zündet. Je höher der Widerstand ist, desto später zündet der Thyristor, desto kürzer dauert der Stromfluss => Phasenanschnittssteuerung. Rv UTh D U~ C Diac (Triggerdiode) Verwendet man anstatt des Vorwiderstandes einen frequenzabhängigen Spannungsteiler, so erreicht man durch die Phasenverschiebung, dass der Zündwinkel über 90° verschoben werden kann. Durch den eingebauten Diac kann der Zündzeitpunkt des Thyristors stabilisiert werden. 2 DIAC Diac …. diode for alternating current 2.1.1 Dotierungsfolge P N P 2.1.2 Schaltsymbol 2.1.3 Kennlinie i Durchlasskennlinie Sperrkennlinie 25-20V U www.kurcz.cc | 5 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Florian Kurcz TRIAC Ausgangskennlinie: Bei Stromrichterschaltungen wird aus mehreren Gründen eine galvanische Trennung zwischen Leistungsteil und Ansteuerelektronik gefordert. Zündübertrager: +UB Wird der Transistor angesteuert so beginnt durch die Primärwicklung ein Strom zu fließen, dadurch entsteht in der Sekundärwicklung eine Flussänderung und somit wird ein Spannungsimpuls induziert . der den Thyristor zündet: · Beim Betrieb von Thyristoren sind auf Grund ihrer dynamischen Eigenschaften einige schaltungstechnische Maßnahmen zu beachten. Beim Zünden darf der Strom nicht zu schnell ansteigen, da es sonst zu einer lokalen Überhitzung im Halbleiter kommt. Bei induktiven Lasten wird der Stromanstieg durch den Verbraucher selbst begrenzt. Bei ohmschen Lasten muss zusätzlich eine Drossel vorgesehen werden. Da Induktivitäten hohe Selbstinduktionsspannungen erzeugen, wird zum Thyristor noch ein RC-Glied parallel geschaltet. Dieses bildet mit der Induktivität einen Schwingreis, in dem die Energie langsam abgebaut wird. L R R C · · · 2 2 1 · 1 Um den Thyristor gegen Stromüberlastung zu schützen sind flinke Sicherungen vorzusehen 3 TRIAC Triac …. triode for alternating current Thyristoren haben den Nachteil, dass sie nur in eine Richtung leiten, für Wechselstromsteller, die beide Halbwellen schalten sollen müssen daher 2 Thyristoren antiparallel geschalten werden. www.kurcz.cc | 6 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK TRIAC Florian Kurcz 3.1 G Aufbau: Aufbau: A A P N P N N P N P + H2 = G G H2 N P N P P N P N H2 N P N P => H1 N N K G H1 K G H1 H1,2 Hauptelektroden Diese Anordnung ist bei beiden Hauptspannungsrichtungen sowohl mit positiver als auch mit negativer Zündspannung an steuerbar. Da der Wirkungsgrad größer ist, wenn Zünd- und Hauptspannung gleiche Richtung haben, sollte dies die bevorzugte Art der Ansteuerung sein. 3.1.1 Prinzip: RL 3.1.2 Schaltsymbol: H2 G H1 3.2 Kennlinie: iT uB0 uT www.kurcz.cc | 7 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK TRIAC Florian Kurcz 3.3 Verwendung: Verwendung: Am häufigsten für Wechselstromsteller (Stromrichterschaltungen, die die Amplitude der Spannung ändern können). W1…einphasig W3...dreiphasig • Dimmer • Drehzahlregler für 1Phasenwechselstrommotoren • Sanftanlaufschaltung für Asynchronmotoren (W3) • Der häufigste Wechselstromsteller ist eine Phasenanschnittssteuerung: z.B. Dimmer: LS Si N flink R U~ CS C L Ls ………… Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit Ls, Cs …… LC Tiefpass um Störungen zu filtern R, C …….. Schutzbeschaltung für Triac i t α λ Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die Schwingungspaketsteuerung. Dabei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet, wodurch keine Schaltflanken auftreten. iT t tein taus Tastverhältnis: Da der Mittelungszeitraum hier höher ist, als bei der Phasenanschnittssteuerung, ist die Schwingungspaketsteuerung nur für träge System geeignet, z.B. Heizung. Neben Wechselstromsteller werden Triacs auch als Wechselstromschalter verwendet, um herkömmliche mechanische Schaltkontakte (z.B. Relais) zu ersetzen => Halbleiterrelais (Solid State Relais) Halbleiterrelais: www.kurcz.cc | 8 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK Leistungs-MOSFET Florian Kurcz Verwendung: RL +UB u~ Isolationsspannungen > 2kV Da der Phototriac nur sehr kleine Ströme schalten kann (<=500mA), wird meist noch ein Leistungstriac nachgeschaltet. +UB Halbleiterrelais sind derzeit bis 25A erhältlich. Das Ausschalten geschieht immer im Spannungsnulldurchgang, das Einschalten kann jedoch zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, sollte dieses auch im Spannungsnulldurchgang sein, so kann noch ein Nullspannungsschalter eingebaut werden. R1 R2 Nullspannungsschalter Der Nullspannungsschalter stellt eine Zündsperre für den Thyristor dar. Sobald die Spannung an der Basis des Transistors eine bestimmte Grenze überschritten hat, leitet dieser und er zieht das Gate auf das Kathodenpotentials des Thyristors. Somit ist keine Zündung mehr möglich. Die Spannungsgrenze wird durch den Spannungsteiler R1 und R2 bestimmt. 4 Leistungs-MOSFET Mosfets haben gegenüber Bipolaren Transistoren den Vorteil, dass sie im statischen Betrieb keinen Steuerstrom benötigen. Die klassische Bauform (horizontaler Kanal) hat aber den Nachteil, dass der Kanal sehr schmal ist und der FET einen relativ hohen RDSon besitzt. www.kurcz.cc | 9 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK IGBT Florian Kurcz 4.1 Aufbau Aufbau selbstsperrender MOSFET Siemens Leistungs MOSFET G G + S N+ + ----Kanal P N+ N+ D S SiO2 (Isolierschicht) N+ N+ P P N- Kanal Elektronen SiO2 (Isolierschicht) PN Übergang N+ D D D CGD G G S CGS S Leistungsmosfet besitzen eine vertikale Struktur. Dadurch ist es möglich auf einem Chip viele Einzeltransistoren parallel zu schalten, und damit einen RDSon von kleiner 1Ω zu realisieren. Um den FET zu Schalten wird eine UGS von 10-15V benötigt. Die Ansteuerung soll immer über eine Gegentaktendstufe erfolgen. ....für schnelles Schalten Die Kapazitäten des MOSFET bilden zusammen mit dem Kollektorwiderstand ein RC-Glied, das den Einschaltvorgang verlangsamt und damit die Verlustleistung des Transistors erhöht. Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, verwendet man Gegentaktansteuerung. Es können auch Ausgänge von CMOS-ICs verwendet werden z.B. 4049 (6-fach Inverter). Um den Strom zu erhöhen können mehrere MOSFETs parallel geschalten werden. Sollten parasitäre Schwingungen auftreten, so sind Gatevorwiderstände (10-20Ω) vorzusehen. Die Entwicklung bei den Leistungsmosfets geht in Richtung intelligente Halbleiter (smart power devices). Derartige Bausteine enthalten TTL kompatible Ansteuerlogik, Temperatur und Stromüberwachung, Ladungspumpen für Highsideansteuerung, Diagnoselogik usw. 5 IGBT IGBT …. Insulated gate bipolar transistor Der IGBT ist spannungsgesteuert. Der Nachteil des MOSFET ist der für sehr große Ströme immer noch zu hohe RDSon was zu sehr großen Verlustleistungen führt. Dies hat zur Entwicklung des IGBT geführt. Jener besitzt im Gegensatz zum www.kurcz.cc | 10 Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK IGBT Florian Kurcz Aufbau: MOSFET eine zusätzliche P-Schicht auf der Drainseite, wodurch eine Struktur eines PNP-Transistors entsteht. Der N-Kanal wirkt nun als Basis des Transistors. 5.1 Aufbau: G S N+ N+ P P N-Kanal P+ SiO2 N D 5.1.1 Ersatzschaltung: D (=C) G S = (E) 5.1.2 Schaltsymbol: C G E Daher wirkt die Schaltung wie ein Komplementär-Darlington-Transistor Die Ansteuerung erfolgt wieder wie beim MOSFET mit einer Gegentaktendstufe. Mit IGBT können Spannungen bis zu 1400V und Ströme bis zu 100A pro Transistor geschalten werden. C Parasitärer Thyristor G S = (E) Der IGBT muss gegenüber Stromüberlastung geschützt werden, da die Schichtfolge einen parasitären Thyristor bildet der zünden kann, wobei kein Abschalten mehr möglich ist. www.kurcz.cc | 11
