Thyristor

Elektrische Antriebe
und Anlagen
Kapitel 4:
Leistungshalbleiter
5.Jhrg
KOHE
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Leistungshalbleiter
Schalter in Stromrichtern: Î Leistungshalbleiter (Halbleiterventile)
1) Dioden
2) Thyristoren
3) verschiedene Bauarten von Transistoren
Idealer Schalter (gerichteter Schalter; im Sinne der Leistungselektronik)
•
•
Stromrichtung in nur eine Richtung
Sperren des Stromflusses in umgekehrter Richtung
steuerbarer elektronischer Schalter:
•
•
Schaltkontakt im Last- bzw. Hauptkreis
besitzt einen Steuerkreis
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idealer Schalter
Eigenschaften von idealen Schaltern:
Beim idealen Schalter treten Strom und Spannung niemals gleichzeitig
auf Î keine Leistungsverluste!
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realer Schalter
Eigenschaften von realen Schaltern:
Beim realen Schalter treten Strom und Spannung und damit Leistungsverluste in allen Betriebsbereichen auf!
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Leistungshalbleiter
Eigenschaften v. Schaltern:
ideal
vs.
real
Schalter
sperrt
Stromkreis geöffnet; kein
Strom; Sperrspannung
beliebig groß
geringer Sperrstrom fließt;
Sperrspannung darf Grenzwert
nicht überschreiten
Schalter
leitet
Stromkreis geschlossen;
kein Spannungsabfall am
Schalter; Stromfluss nur in
Pfeilrichtung möglich
Durchlassspannung fällt ab;
Schalter hat einen Widerstand
Ein- und
Ausschalten
erfolgt verzögerungsfrei und
leistungslos, kein
elektrischer oder
mechanischer Verschleiß
erfolgt verzögert
Schaltfrequenz
beliebig groß; keine
Ladungsspeichereffekte;
keine Verzögerungszeiten
durch Verzögerungszeiten und
Ladungsspeichereffekte
begrenzt
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Leistungshalbleiter
Verluste bei Leistungshalbleitern:
•
•
•
•
Schaltverluste (fließt schon Strom ÍÎ liegt noch Spannung an)
Durchlassverluste (Durchlasswiderstand)
Sperrverluste (Sperrstrom in Abhängigkeit von der Temperatur)
Steuerverluste (Ansteuerleistung; abhängig vom Typ des Bauelements)
Î Sperrschichttemperaturen >150°C schädigen das Bauelement
Einteilung der Leistungshalbleiter:
• passive Schalter (Dioden): kein seperater Steuerkreis
• aktive Schalter – einschaltbar (Thyristor):
Durch Steuersignal einschaltbar; der Übergang in den Sperrzustand
wird vom Leistungskreis bestimmt.
• aktive Schalter – ein- & ausschaltbar (Transistoren, GTO, IGBT):
Werden durch Steuersignal ein- und ausgeschaltet. Ein gesteuertes
Abschalten ist jederzeit möglich.
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Diode
Schaltzeichen
reale Kennlinie
vereinfachte Kennlinie
idealisierte Kennlinie
URRM ...maximaler Spannungswert, mit dem die Diode periodisch
belastet werden darf (Reverse Repetitive Maximal) .
UF ...Schleusenspannung (1V-2.5V)
Ersatzschaltbild der Diode:
rD ...differentieller Widerstand
ΔuD
rD =
ΔiD
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reale Diode
Schaltverhalten:
Während Leitphase Î PN-Übergang, Speicherladung im Halbleitermaterial
Ausschaltvorgang Î Speicherladung Qrr muss erst ausgeräumt werden
Ausschaltvorgang:
Diodentypen:
Schottky-Dioden:
Metall-Halbleiterübergang
UF≈0.3V URRM≈50-100V
FRED-Dioden:
(Fast Recovery Epitaxial Dioden)
hohe Schaltfrequenzen, trr<1μs
IRM ...Rückstromspitze (<100A)
trr ...Rückwärtserholzeit (reverse
recovery) (10μs-20μs)
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Netz-Dioden:
kleine UF auf Kosten der trr
ID≈kA URRM≈kV
PV = U F (T 0) ⋅ I F = 1.5V ⋅1000A = 1.5kW
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Thyristor
Schaltzeichen
reale Kennlinie
vereinfachte Kennlinie
idealisierte Kennlinie
1. Sperren (ut<0): wie Diode
2. Blockieren (ut>0): vernachlässigbarer Sperrstrom
3. Leiten (ut>0): wenn Thyristor gezündet und ein Mindeststrom iL
(Latching current) fließt, rastet der Thyristor ein, kein weiterer
Gatestrom notwendig Î dann wie Diode; UT(T0)≈1-3V
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Thyristor
Schaltverhalten:
Zünden:
• kontrolliertes Zünden Î positiver Stromimplus am Gate (Zündimplus)
• unkontrolliertes Zünden Î uT > Nullkippspannung UB0
Î duT/dt > Grenzwert (Thyristor im Blockierb.)
Abschalten:
• Über Steuerkreis (Gate) nicht möglich. (Ausnahme: GTO)
• Nur wenn der Anodenstrom iT den Haltestrom iH (Holding current)
unterschreitet.
• TSE (Trägerspeichereffekt) ähnlich der Diode
ts ...Speicherzeit
trr ...Freiwerdezeit
tc ...Schonzeit (siehe nächste
Folie)
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TSE-Beschaltung
Bsp.4.1: Berechne die Höhe der Spannungsspitze, die am Thyristor auftritt,
wenn die Schaltung mit Netzspannung (220V) versorgt wird, die
Streuinduktivität 1μH und die maximale Stromänderung unmittelbar nach
der Rückstrom-spitze 103 A/μs beträgt.
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TSE-Beschaltung
Überspannungsschutz mittels RC-Glied:
a) TSE-Beschaltung (RB, CB)
b) TSE-Beschaltung mit Parallelwiderstand RP für ThyristorReihenschaltung (gleichmäßige
Spannungsaufteilung)
c) TSE-Beschaltung mit zusätzlicher
Serieninduktivität LR für ThyristorParallelschaltung (gleichmäßige
Strom-aufteilung)
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MOSFET
Schaltzeichen
reale Kennlinie
idealisierte Kennlinie
Aufbau
•
nur eine Ladungsträgerart (P- / N-Kanal) am Stromtransport beteiligt
•
selbstsperrend / selbstleitend
•
Isolierschicht aus Siliziumoxid SiO2
•
RDS(on) steigt mit der Temperatur an
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MOSFET
Schaltverhalten (selbstsperrender N-Kanal):
Einschalten:
• positive Spannung UGS zwischen Gate und Source
• Elektronen werden an die Isolierschicht unterhalb des Gate´s gezogen und
bilden einen leitfähigen Kanal.
• Gate-Source bildet einen Kondensator Î im eingeschalteten Zustand kein
Steuerstrom!
Abschalten:
• Wenn keine Spannung UGS Î kein Kanal Î hochohmig
Schaltbetrieb:
• Ein- und Ausschalten bedingt ein Umladen des „Gate-Source“-Kondensators
und erfordert daher hohe kapazitive Ladeströme.
Inversdiode:
• gebildet von Substrat (leitend mit Source verbunden) und Drain. Überbrückt
das Bauteil entgegen der Schaltrichtung. Sperren nur für UDS>0!
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Bipolar-Transistor
Einschalten: iBE>0
Ausschalten: iBE=0
Schaltzeichen
•
•
•
•
•
•
reale Kennlinie
idealisierte Kennlinie
Dicke der Basisschicht 30-80μm
UCE>0 Î Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung; kleiner
Sperrstrom
bei Basisstrom IB>0 wird der Übergang mit Ladungsträger überschwemmt und leitend. Am Stromfluss sind beide Ladungsträgerarten
beteiligt Î „Bipolar“
stromgesteuertes Bauelement, kontinuierlicher Basisstrom erforderlich
Schaltgeschwindigkeit geringer als MOS-Transistoren
geringe Durchlassspannung
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IGBT
Schaltzeichen
•
•
•
•
•
reale Kennlinie
idealisierte Kennlinie
Bipolartansistor mit isoliertem Steueranschluss
Insulated Gate Bipolar Transistor
Bipolartansistor, der über einen integrierten MOSFET angesteuert wird
spannungsgesteuertes Bauelement – geringe Ansteuerleistung
Schaltgeschwindigkeit geringer als MOSFET
Einschalten: UGE>UGE(th)
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Ausschalten: UGE=0
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MOSFETs, IGBTs, Bipl.Tr.
Ausgangskennlinienfeld (IGBT):
I C = f (U CE ) U GE ...Parameter
a) Sättigungsbereich
Î Schaltbetrieb
b) aktiver (analoger Bereich)
Î Signalelektronik
Arbeitspunkt:
B Transistor ausgeschaltet (UGE<UGE(th)). UCEB wird durch den Lastkreis
bestimmt
A UGE so groß, dass sich A im Sättigungsbereich einstellt. Geringe
Durchlassspannung UCEA bestimmt mit IC die auftretenden Verluste
C Dauerbetrieb für Schalttransistoren nicht zulässig Îth. Zerstörung
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MOSFETs, IGBTs, Bipl.Tr.
SOAR (Safe Operating ARea):
a) maximaler Dauerstrom
b) höchstzulässige Verlustleistung
(Leistungshyperbel Î Gerade)
c) maximale Spannung
d) höhere Belastungen (kurzzeitig)
Bsp.4.2: Ist es zulässig, den Transistor mit 120A zu belasten?
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