Der Thyristor

Der Thyristor
Der konventionelle bipolare Transistor hat die Zonenfolge npn bzw. pnp. Durch Hinzufügen
einer weiteren Zone ergibt sich die Folge npnp. Ein solches Element heißt Thyristor und wird
in der Leistungselektronik als Hochstromschalter eingesetzt. Der Name Thyristor ist eine
Zusammensetzung aus den Begriffen Thyratron und Transistor. Im angelsächsischen
Sprachraum ist auch die Abkürzung SCR (Silicon Controlled Rectifier) üblich.
Der Thyristor besitzt zwei stabile Zustände, von denen einer hochohmig und der andere
niederohmig ist. Über einen Steueranschluss, der als Gate-Elektrode bezeichnet wird, erfolgt
das Umschalten vom hochohmigen auf den niederohmigen Zustand.
Der Thyristor ist ein einschaltbares, unidirektionales Bauelement.
Schaltzeichen:
In enger Analogie zur Diode wird der Anschluss an der p-Zone Anode (A) genannt, der
Anschluss an der n-Zone heißt Kathode (K) und der Steueranschluss wird als Gate (G)
bezeichnet.
Abb.1a: Prinzipielle Schnittzeichnung eines
Thyristors
Abb.1b: Ersatzschaltbild eines
Thyristors
Die vier unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen lassen sich im Ersatzschaltbild als
Zusammenschaltung eines npn- und eines pnp-Transistors interpretieren. Hierbei sind die
Transistoren so zusammengeschaltet, dass jeweils der Kollektorstrom des einen gleichzeitig
der Basisstrom des anderen Transistors ist. Es liegt demnach ein extrem stark rückgekoppeltes
System vor.
Solange kein Basisstrom fließt, befindet sich der Thyristor im gesperrten Zustand. Besitzt die
Anode positives Potential gegenüber der Kathode, so ist die Diodenstrecke D2 in Abb.1a
gesperrt und D1 und D3 sind in Durchlassrichtung gepolt. Am Thyristor fällt die
Vorwärtsspannung UD ab und es fließt ein kleiner Vorwärts-Sperrstrom ID, der im µABereich liegt. Bei Hochleistungsthyristoren kann der Vorwärts-Sperrstrom allerdings auch
einige mA betragen.
In Vorwärtsrichtung fließt bis zum Zünden lediglich ein kleiner
Sperrstrom durch den Thyristor. Er wird in Datenblättern mit ID
angegeben.
Der Vorwärts-Sperrstrom ist von Bedeutung, wenn es beispielsweise darum geht, mehrere
Thyristoren zwecks Erreichung einer höheren Sperrspannung in Serie zu schalten. Um eine
gleichmäßige Potentialaufteilung zu erreichen, ist ein Spannungsteiler parallel zu den
Thyristoren erforderlich. Hierbei ist zu beachten, dass der Strom durch die Widerstände
größer ist als der maximal auftretende Vorwärts-Sperrstrom ID. Mehrere in Serie geschaltete
Thyristoren werden auch als Stack bezeichnet.
Abb.2: Zur gleichmäßigen Potentialaufteilung bei einer Serienschaltung von Thyristoren.
Wird ein bestimmter Wert der Vorwärts-Sperrspannung UD überschritten, wechselt der
Thyristor, ohne das Vorliegen eines Impulses am Gate, vom hochohmigen in den
niederohmigen Zustand. Allgemein wird ein solches unerwünschtes Durchsteuern als
Überkopfzünden bezeichnet und die Spannung, bei der dieses Phänomen auftritt, heißt
Nullkippspannung UD0. Ein Überkopfzünden führt zwar nicht unbedingt zu einer Zerstörung
des Thyristors, ist aber nicht der betriebsmäßig gewünschte Zustand.
Ein Überschreiten der Vorwärts-Sperrspannung UD0 führt zum
ungewollten Zünden des Thyristors.
Im eigentlichen Betrieb soll der Thyristor durch das Gate eingeschaltet werden. Fließt bei
positiver Anodenspannung ein Steuerstrom IG in den Steueranschluss, dann fließt ein
Kollektorstrom durch T2 in Abb.1b. Dieser Strom wird T1 als Basisstrom zugeführt und
dessen Kollektorstrom ist wiederum der Basisstrom von T2. Als Folge dieses rückgekoppelten
Systems fließt so lange ein Strom von der Anode zur Kathode, wie dieser Kreislauf sich selbst
erhalten kann. Dazu muss die Stromverstärkung der Transistoren T1 und T2 die folgende
Bedingung erfüllen:
β1 β 2 > 1.
(1)
Damit der Thyristor nach Abklingen des Gatestromes durchsteuert, muss der so genannte
Einraststrom IL (Latching Current) in Durchlassrichtung fließen.
Abb.3: Typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors.
Ein gezündeter Thyristor ist von Ladungsträgern überschwemmt und lässt sich über den
Gateanschluss nicht mehr abstellen. Er bleibt so lange niederohmig, bis der Durchlassstrom
einen Mindestwert, den Haltestrom, IH unterschreitet. Dann ist die Bedingung
β1 β 2 < 1 ,
(2)
erfüllt, so dass der Thyristor in den hochohmigen Zustand zurückkippt. Die
Sperrschichtladungsträger werden ausgeräumt und die mittlere Sperrschicht (Diodenstrecke
D2 in Abb.1a) wird wieder aufgebaut. Die hierfür erforderliche Zeit wird Freiwerdezeit tq
genannt und wird in den zughörigen Datenblättern aufgeführt.
Thyristoren sind sehr robuste, zuverlässige und weit entwickelte Bauelemente der
Leistungselektronik. Da die Herstellung von Thyristoren nicht viel aufwendiger ist als die von
Gleichrichtern für entsprechende Spannungen und Ströme, ist ihre Anwendung besonders
wirtschaftlich. Die Einsatzgebiete von Thyristoren finden sich vor allem dort, wo es darauf
ankommt sehr hohe Ströme bis weit in den kA-Bereich bei Sperrspannungen von mehreren
kV zu schalten. Für noch höhere Spannungen (bis 100kV) werden Thyristor-Stacks (engl.
Thyristor-Block, eine Serienschaltung mehrerer Thyristoren) verwendet.
Leistungselektronik:
•
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•
•
Gesteuerte Netzgleichrichter
Leistungsregelung
Motorsteuerung
Elektronische Zündeinrichtungen
•
Schwingkreis-Wechselrichter
Hochleistungsimpulstechnik:
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Plasmaanregung
Pinchentladungen (z-Pinch und θ-Pinch)
Erzeugung gepulster Magnetfelder
Explodierende Drähte (exploding wire technology)
Hochspannungsimpulse (Marx Generator)
Ansteuerung von Kicker-Magneten
Überspannungsschutz
Die folgende Zusammenstellung gibt die wichtigsten Kenngrößen an, die normalerweise in
Datenblättern zu Thyristoren angegeben sind. Sie müssen bei der Auslegung von
Thyristorschaltungen stets berücksichtigt werden.
UDRM
UDSM
URRM
URSM
IT
ITSM
I²t
(dI/dt)cr
URGM
PG(av)
PGM
UGD
UTM
rs
IDRM
UGT
IGT
Maximale Vorwärtsspannung (repetitiv)
Maximale Vorwärtsspannung (nicht repetitiv)
Maximale Sperrspannung (repetitiv)
Maximale Sperrspannung (nicht repetitiv)
Mittlerer Durchlassstrom
Spitzenimpulsstrom
Grenzlastintegral
Kritische Stromanstiegsrate
Maximale Sperrspannung an der Gateelektrode
Maximal zulässige Verlustleistung der Gateelektrode
Maximal zulässige Impulsleistung an der Gateelektrode
Größte zulässige Gatespannung die keine Triggerung verursacht
Maximale Durchlassspannung im eingeschalteten Zustand
Durchgangswiderstand im eingeschalteten Zustand
Maximaler Sperrstrom in Vorwärtsrichtung
Triggerspannung an der Gateelektrode
Triggerstrom
Aktiver Überspannungsschutz mit Thyristor
Ein weites Anwendungsgebiet für den Thyristor findet sich beim Überspannungsschutz von
elektronischen Schaltungen. Prinzipiell wird hierbei ein, beispielsweise durch Netzstörungen
verursachter Überspannungsimpuls, durch eine entsprechende Schaltung gegen Erdpotential
abgeleitet. Im angelsächsischen Sprachraum sind solche Schaltungen als clamp (Klemme,
Zwinge, Bügel) oder crowbar (Brecheisen) bekannt. In Abb.4 ist die einfache Umsetzung
einer solchen Schaltung dargestellt.
Abb.4: Crowbar-Schaltung
Ausgangsimpulses Ua.
mit
Darstellung
des
Eingangsimpulses
Ui
Die Funktionsweise der Schaltung lässt sich wie folgt beschreiben:
Zum Zeitpunkt t0 tritt ein Überspannungsimpuls, der oberhalb der ZSpannung der Zenerdiode Z liegt, an den Eingang A. Bevor der
Kondensator C über die Diode D und den Widerstand R2 auf die
Spannung U0 aufgeladen wird, geht die Zenerdiode in den
niederohmigen Zustand über. Daraufhin gelangt ein positiver
Spannungsimpuls an die Gateelektrode des Thyristors Th. Als Folge
davon wird der Thyristor Th niederohmig und der Störimpuls wird
gegen Erdpotential abgeleitet. Ist die Summe der Schaltzeiten der
Zenerdiode tz und des Thyristors tTh kleiner als die Zeitkonstante RC,
dann ergibt sich keine nennenswerte Änderung der Ausgangsspannung
Ua.
t Z + tTh << R2C .
und
des
Um eine schnelle Reaktionszeit der Schaltung zu gewährleisten, müssen Bauelemente mit
sehr kleinen Schaltzeiten verwendet werden. Dies gilt im besonderen Maße für die
Zenerdiode. Ferner muss die Zenerdiode den für ein rasches Zünden des Thyristors
erforderlichen Gatestrom bereitstellen. Für den Thyristor gilt als Bemessungsgrundlage eine
hohe Stromanstiegsrate und eine kleine Zündverzugszeit tg.
Abb. 5: Leistungsthyristor für eine Crowbar-Schaltung.
Phasenanschnittssteuerung
Die Steuerung und Umformung elektrischer Energie auf der Grundlage von Schaltvorgängen
wird Leistungssteuerung genannt. Als steuerbare Schaltelemente kommen hierbei Thyristoren
zum Einsatz. Ein Impulssteuergerät liefert netzsynchrone Zündimpulse an das Gate, die sich
zeitlich gegen den Nulldurchgang der Wechselspannung verschieben lassen. Der Thyristor
wird hierbei nur während der positiv gerichteten Halbwelle gezündet. In Abb.6 ist das Prinzip
einer solchen Leistungssteuerung am Verbraucher RL gezeigt.
Abb.6: Prinzip der Leistungsregelung an einem Verbraucher RL durch Phasenanschnitt.
Der zugehörige Phasenanschnitt wird durch den so genannten Zündwinkel α beschrieben.
Zum stromführenden Teil der Halbwelle gehört der Stromflusswinkel β. Bei jedem
Nulldurchgang des Stromes wird der Thyristor gelöscht. Durch zeitliches Verschieben der
Steuerimpulse kann man den Mittelwert des Verbraucherstromes verändern.
Bei der Phasenanschnittssteuerung sind Spannung und Strom am
Verbraucher keine durchgehenden Sinuswellen, sondern von jeder
Welle fehlt der Anfang. Durch Verschieben des Anschnittpunktes lässt
sich das Produkt aus U und I am Verbraucher ändern, was
gleichbedeutend mit einer Leistungssteuerung ist.
Man steuert nach diesem Prinzip Wärmeleistungen von Öfen, Drehzahlen von
Elektromotoren, Helligkeiten von Lampen (Dimmer) und von anderen Einrichtungen, die aus
dem Wechselstromnetz betrieben werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass sich
mit relativ wenig Aufwand große Leistungen steuern lassen. Nicht benötigte Leistung braucht
nicht in einem Vorwiderstand in Verlustwärme umgewandelt zu werden. Um auch die
negative Halbwelle in Abb.6 zur Leistungssteuerung heranzuziehen, ist lediglich ein zweiter
antiparallel verschalteter Thyristor erforderlich.
Abb.7: Power-Pack (D2-Pack) bestehend aus zwei Leistungsthyristoren, die sich antiparallel
für eine Phasenanschnittssteuerung verschalten lassen.
Thyristorschaltung für Impulsanwendungen
Die folgende Abb.8 zeigt den typischen Aufbau einer Thyristorschaltung zur Erzeugung von
Hochspannungsimpulsen.
Abb.8: Thyristorschaltung zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit Hilfe eines RCLKreises.
Die Schaltung in Abb.8 ist in der Hochleistungs- und Impulstechnik (Pulsed Power) weit
verbreitet und wird unter anderem auch zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen bei
Zündkerzen oder zur Erzeugung von Pinch-Plasmen verwendet. Mit dieser Schaltung lassen
sich Impulse von bis zu 100kV und Spitzenimpulsströme von über 10kA bei
Stromanstiegsraten von 1kA/µs erzeugen. Bei einer stark induktiven Last ist eine
Freilaufdiode parallel zum Thyristor erforderlich um ein Durchschwingen des
Resonanzkreises zu gewährleisten. Die Funktionsweise der Schaltung wird im Folgenden
erklärt:
Der Kondensator C0 wird über einen Ladewiderstand Rl auf die
Spannung U0 aufgeladen. Nach dem Ladevorgang, ist im Kondensator
eine Energie von
WC0 =
1
C0U 02 ,
2
gespeichert. Bei Bedarf wird der Thyristor durch einen
Spannungsimpuls an die Gate-Elektrode gezündet. Der Thyristor Th
geht in den niederohmigen Zustand über und bildet zusammen mit
dem Kondensator C0, der Induktionsspule L0 und dem ohmschen
Widerstand R0 einen Serienresonanzkreis. Durch den sich
anschließenden Entladevorgang kommt es zum Entstehen einer
gedämpften Schwingung, die so lange andauert, bis sich die im
Kondensator gespeicherte Energie in ohmsche Verlustwärme
umgewandelt hat. Die Transformatorkopplung mit der Sekundärspule
Lsec sorgt für eine entsprechende Transformation der Spannung am
Ausgang des Sekundärkreises. Beim unterschreiten des Haltestroms
sperrt der Thyristor wieder und der Kondensator kann über den
Ladewiderstand aufgeladen werden.
In der Regel sind die Ladespannung, sowie die Kondensatorkapazität und die
Eigeninduktivität des zugehörigen Kreises vorgegeben bzw. bekannt. Daraus ergeben sich
sofort die maximal möglichen Werte für den Impulsstrom und dessen Anstiegsrate. Die
Kenntnis der im Kreis auftretenden Maximalwerte von Strom, Spannung und
Stromanstiegsrate ist wichtig zur Auswahl der passenden Schaltelemente. Wird die Schaltung
beispielsweise mit einem Thyristor oder einem Thyristor-Stack aufgebaut, dann muss dieser
auch die auftretenden Spitzenwerte der elektrischen Größen verkraften können. Das für die
Schaltung vorgesehene aktive Bauelement lässt sich dann auf Grund dieser Vorgaben
aussuchen.
Maximaler Spitzenstrom und Anstiegsrate im Kreis:
I max ≈
C0
U0
L0
U
Iɺmax ≈ 0
L0
Bisher wurde lediglich der einfache LCR-Kreis behandelt. Fungiert die Induktivität L0 als
Induktionsspule, dann verändert sich durch die Transformatorkopplung die
Eingangsimpedanz des Kreises. Bei einer guten Kopplung zwischen der Induktionsspule und
der Sekundärspule, führen die ohmschen Verluste im Lastwiderstand des Sekundärkreises zu
einer weitaus stärkeren Dämpfung, als dies ohne die Anwesenheit eines Sekundärkreises der
Fall ist. Die folgende Abbildung zeigt das Äquivalenzschaltbild unter Berücksichtigung der
Transformatorkopplung.
Abb.9: Veränderung der Eingangsimpedanz der Schaltung nach Abb.8 durch die Anwesenheit
eines dämpfenden Lastwiderstands RL.
Prinzipiell lässt sich die Dynamik des Kreises mit dem Formalismus für RCL-Kreise
beschreiben. Die Eingangsreaktanz und der Eingangswiderstand transformieren sich
allerdings nach den aus der Transformatortheorie bekannten Gesetzmäßigkeiten.
Transformation der Eingangsimpedanz bei Transformatorkopplung:
ωL0 → ωL0 1 − k 2
(bei hohen Frequenzen)
R0 → R0 + k 2 ü 2 RL
c
h
Die zeitliche Dynamik der elektrischen Größen wird weiterhin durch die Gleichungen für den
gedämpften Schwingkreis beschrieben. Allerdings ist die Transformation der
Eingangsreaktanz und des Eingangswiderstands gemäß der Transformatortheorie zu beachten.
Für die Elektronik-Vorlesung wurde ein Versuch mit einer Thyristorschaltung aufgebaut.
Hierbei handelt es sich prinzipiell um die Realisierung der in Abb. 8 gezeigten Schaltung zur
Erzeugung eines 10kV Hochspannungsimpulses. Die maximale Ladespannung der
Kondensatoren lag bei 1000V.
Abb.10: Versuchsaufbau einer Zündschaltung für die Vorlesung, mit Kapselthyristor und
antiparalleler Diode.
Ein Beispiel soll an dieser Stelle ein Maß für die Größenordnungen vermitteln, die die
elektrischen Größen hier annehmen können. So wurde für den Vorlesungsversuch eine
Induktionsspule mit einer Induktivität von L0=1,9µH verwendet. Die zugehörige
Kondensatorbank hatte eine Kapazität von C0=50µF und konnte auf eine maximale Spannung
von U0=1000V aufgeladen werden. Gemäß der Theorie gilt:
ν0 =
=
1
2π L0C0
1
−6
2π 1,9 ⋅ 10 H ⋅ 5 ⋅ 10 −5 F
= 16,3kHz
Vergleicht man mit den experimentell ermittelten Werten in Abb. 11 dann ergibt sich eine
Schwingfrequenz von rund 16kHz.
Abb. 11: Verlauf des Stromes und der Spannung im Primärkreis der Zündschaltung aus Abb.
10 bei einer Ladespannug von 450V.
Der gemessene Strom lässt sich nun mit dem aus der theorie der Resonanzkreise zu
erwartenden Maximalwert vergleichen. Es gilt:
I max =
=
C0
U0
L0
50µF
⋅ 450V
1,9 µH
= 2,3kA
Das Ergebnis stimmt sehr gut mit der Messung in Abb. 11 überein. Die Theorie liefert somit
für die praktische Konzeption solcher Schaltungen und der Auslegung der Bauelemente
äußerst gute Werte.
Ganz analog lässt sich auch die Spitzenamplitude des Primärkreisstroms bei einer
Ladespannung von 1000V abschätzen und mit dem experimentell ermittelten Wert in Abb. 12
vergleichen.
I max =
=
C0
U0
L0
50µF
⋅ 1000V
1,9 µH
= 5,1kA
Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit dem maximalen Stromverlauf in Abb.
12. Die Dämpfung des kreises ist hier wesentlich stärker, weil durch die hohe
Sekundärspannung eine Gasentladung initiiert wird, die bedingt durch ohmsche Verluste über
die Transformatorkopplung den Strom im Primärkreis stark dämpft.
Abb. 12: Verlauf des Stromes und der Spannung im Primärkreis der Zündschaltung aus Abb.
10 bei einer Ladespannug von 1000V.