1. Funktionsweise - Institut für Leistungselektronik und Elektrische

Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow
Übungen Leistungselektronik 2
Inhalt der Übungen:
1.
Funktionsweise des Thyristors
2.
Der Kommutierungsvorgang in fremdgeführten Stromrichteranordnungen
3.
Resonant schaltentlastende (Gleich)-Spannungswandler
4.
Der Dreipunkt Wechselrichter (NPC)
Aufgaben zum Stoff der Vorlesung und der Übungen.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 1
Umdruck 1:
1.1
Funktionsweise des Thyristors
Thyristor
Der Thyristor war lange Zeit das vorherrschende Schaltelement in der Leistungselektronik.
Auf Grund seiner einfachen Herstellung, er benötigt keine feinen Halbleiterstrukturen, wurde
er in den 50er Jahren, noch vor dem Transistor eingeführt. Weit verbreitet ist der Thyristor in
Anwendungen mit niedrigen Schaltfrequenzen, z. B.: als gesteuerter Eingangsgleichrichter
bei einer Netzfrequenz von 50 Hz. In Bereichen sehr hoher Spannungen und Ströme, die von
anderen Bauelementen noch nicht erreicht werden, findet sich ein weiterer Einsatzbereich
des Thyristors (Bsp.: HGÜ). Ein einziger Thyristor kann Spannungen bis zu 13 kV sperren
und Ströme bis 6 kA führen.
Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Sperrspannung über Durchlassstrom:
Bild 1-1.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 2
Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Schaltleistung über Schaltfrequenz:
Bild 2-1.1
1.1.1 Aufbau und Funktionsweise
Der Thyristor ist ein Vierschicht-Element mit folgender Schichtenfolge:
Bild 3-1.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 3
1.1.1.1 Ungesteuerter Betrieb
Auf Grund des Halbleiteraufbaus sperrt der Thyristor im ungesteuerten Zustand sowohl in
Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung.
Bild 4-1.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 4
Im gesperrten Zustand verhält sich der Thyristor wie eine Leistungsdiode, die Sperrkennlinie
gleicht daher der einer Leistungsdiode.
Bild 5-1.1
1. Sperrkennlinie:
UBR
(uAK < 0)
URRM höchstzulässige periodische Spitzensperr-
Durchbruchspannung
spannung in Rückwärtsrichtung
IR
2. Blockierkennlinie:
UDRM höchstzulässige periodische Spitzensperr-
(uAK > 0, nicht gezündet)
spannung in Vorwärtsrichtung
UB0
Übungen Leistungselektronik 2
Sperrstrom
Nullkippspannung
Umdruck 1
Blatt 5
1.1.1.2 Einschaltvorgang
Der Thyristor „zündet“, wenn die Spannung uAK > 0 ist und am Gateanschluss ein Steuerimpuls genügender Amplitude und Dauer anliegt. Die bis dahin sperrende Raumladungszone
des mittleren PN-Übergangs wird dann durch Mitkopplungseffekte von Ladungsträgern überschwemmt und der Thyristor geht in den leitenden Zustand über. Dieser Zusammenhang
wird am besten durch ein Ersatzschaltbild mit 2 Transistoren verdeutlicht:
Bild 6-1.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 6
Vorgänge im Thyristor:
Bild 7-1.1
Ungewolltes Zünden eines Thyristors:
a)
Überkopfzünden:
Überschreiten der Nullkippspannung UB0 bei iG = 0 (Ist im Allgemeinen unzulässig).
Erreicht die Spannung uAK den Wert der Nullkippspannung, so wird die Durchbruchspannung der mittleren Sperrschicht überschritten und der Thyristor beginnt zu leiten.
Dieser Vorgang ist sehr kritisch, da in Folge von Unebenheiten (Inhomogenitäten) im
Halbleiter zunächst ein enger Kanal zuerst leitet. Der Kanal muss dann während des
Einschaltens die gesamte Verlustenergie aufnehmen.
b)
Kritische Spannungssteilheit:
Übersteigt die Spannungssteilheit
duAK
dt
bei iG = 0 den kritischen Wert des Thyristors,
krit
so wirkt der Strom iC wie ein Zündstrom und der Thyristor wird leitend.
Typischer Wert:
duAK
dt
Übungen Leistungselektronik 2
= 1000 V/µs
krit
Umdruck 1
Blatt 7
Durchlasskennlinie:
Im leitenden Betrieb besitzt der Thyristor die gleichen Eigenschaften wie eine leitende Diode.
Bild 8-1.1
Ersatzschaltbild des realen Thyristors:
Bild 9-1.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 8
1.1.2 Schalteigenschaften:
1.1.2.1 Dynamisches Verhalten beim Einschalten:
Beispielhaft sei die Schaltung in Bild 10-1.1 angenommen. In Bild 11-1.1 sind die Verläufe
der Spannung uAK und des Stromes iA während des Einschaltvorgangs zu sehen.
Bild 10-1.1
Bild 11-1.1
iA = 0 ; Der Thyristor sei für t < t0 stromlos.
Ausgangszustand:
t = t0 : Thyristor erhält einen Gateimpuls.
tgd
Zündverzögerungszeit (abhängig von der Höhe und der Steilheit des Zündimpulses)
Vom Beginn des Steuerimpulses bis uAK ↓ = 0,9 ⋅ u0 ; In der Basiszone ist eine Mindestladung erforderlich, bis der Thyristor in einem engen Kanal durchbricht.
tgr
Durchschaltzeit (abhängig von der Steilheit des Laststroms)
Von uAK = 0,9 ⋅ u0 bis uAK = 0,1⋅ u0 ; Zeit bis sich leitfähige Kanäle ausbilden und uAK
abgefallen ist.
tgs
Zündausbreitungszeit (abhängig vom Durchmesser der Halbleiterscheibe)
Typ. Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit
Bsp.: ∅ = 56 mm
→
t gs = 560μs
v gs = 0,1
mm
µs
Zeit, bis die gesamte Halbleiterscheibe leitfähig geworden ist.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 9
1.1.2.2 Dynamisches Verhalten beim Abschalten:
Thyristoren gehen in den sperrenden Zustand über, wenn der Anodenstrom unter den Haltestrom IH gesunken ist. Anhand der in Bild 12-1.1 gezeichneten Schaltung soll nun der Ausschaltvorgang näher betrachtet werden. Die Verläufe der Spannungen und Ströme sind in
Bild 13-1.1 zu sehen.
Bild 12-1.1
Bild 13-1.1
Zeitpunkt t = t0: Schalter S1 wird von Stellung 1 in Stellung 2 geschaltet.
trr
Sperrverzögerungszeit: In den beiden mittleren Schichten befinden sich noch
Ladungsträger, welche durch langsame Rekombination abgebaut werden müssen.
Beim Aufschalten einer Spannung in Sperrrichtung fließt kurzzeitig ein Strom in Rückwärtsrichtung (Rückstrom). Dieser Strom ruft beim Abklingen an den stets vorhandenen Induktivitäten eine Überspannung hervor. Diesen Vorgang nennt man Trägerspeichereffekt (TSE). Durch eine geeignete TSE-Schutzbeschaltung kann diese
Überspannung am Thyristor auf zulässige Werte begrenzt werden.
tq
Freiwerdezeit (Bauteileigenschaft): Zeitdauer, die nach dem Zeitpunkt, bei dem der
Anodenstrom null wird erforderlich ist, bis das Ventil frei von Ladungsträgern ist und
seine volle Steuer- und Sperrfähigkeit wiedererlangt.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 10
tc
Schonzeit (Schaltungseigenschaft): Zeitdauer von dem Zeitpunkt wenn der Anoden-
strom zu null wird, bis zu dem Zeitpunkt an dem das Ventil wieder positive Sperrspannung erhält.
Durch die Schaltung muss immer sichergestellt sein, dass gilt:
t c > tq
1.1.3 Ansteuerung
Mit Hilfe einer Steuerspannung zwischen dem Gate und der Kathode des Thyristors kann
dieser gezündet werden. Die Steuerspannung, welche in Form eines Steuer- oder Zündimpulses angelegt wird, muss die im Datenblatt des Thyristors angegebenen Werte bezüglich
der Impulsdauer und Impulshöhe einhalten.
1.1.3.1 Bemessung der Zündimpulse:
a) Dauer:
Die minimale Zündimpulsdauer tG muss überschritten werden.
Dies muss durch das Gatesteuergerät sichergestellt werden.
Der Anodenstrom muss den Einraststrom überschreiten. (iA > IL)
Kann nur durch die Schaltung sichergestellt werden.
b) Amplitude:
Die Eingangskennlinien unterliegen einer starken Exemplarstreuung.
Daher wird vom Hersteller ein Toleranzfeld für diese Kennlinien angegeben.
Der Zündimpulsgenerator (siehe 1.1.3.2) muss nun genau auf dieses Kennlinienfeld abgestimmt werden.
Damit die bei der Festlegung der zulässigen Strombelastung mit einbezogene Steuerverlustleistung PG nicht überschritten wird, müssen Zündspannung und Zündstrom unterhalb einer
hyperbolischen Grenzlinie PG = uGK ⋅ iG = const. liegen.
Auch die Temperaturabhängigkeit der Zündwerte spielt ein wichtige Rolle. Bei zunehmender
Temperatur reichen kleinere Zündströme aus. Dies hat zur Folge, dass die Zündung bei tiefen Temperaturen erschwert wird. Deshalb muss der obere Zündwert für eine sichere Zündung bei der niedrigsten Temperatur die auftreten kann, überschritten werden. (Bsp. Bahnanwendung, HGÜ)
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 11
Eingangskennlinienfeld:
Bild 14-1.1
Bereiche:
oberer Zündstrom
oberhalb dieser Werte zündet der
obere Zündspannung
Thyristor sicher.
unterer Zündstrom
unterhalb dieser Werte zündet der
untere Zündspannung
Thyristor sicher nicht
1
keine Zündung
2
mögliche Zündung
3
sichere Zündung
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 12
1.1.3.2 Zündimpulsgenerator:
Bild 15-1.1 zeigt ein einfaches Ersatzschaltbild eines Zündimpulsgenerators:
Bild 15-1.1
Die Kennlinie dieses Zündimpulsgenerators bestimmt nun, ob ein sicheres Zünden des Thyristors ermöglicht wird.
Die technische Realisierung einer potenzialfreien Ansteuerschaltung kann wie folgt aussehen:
A n o d e
1 5 V
B Y S 2 1 -4 5
2 7 9
2 : 1
T h y r is t o r
L
1 2 0 9
4 7 n F
h 1
G a te
2 7 9
1 0 0 n F
K a th o d e
Z D 4 7 V
A n s t e u e r s ig n a l f ü r
d e n T h y r is t o r
IR F D 1 1 0
G N D
Bild 16-1.1
Funktionsweise:
1.
Thyristor sperrt:
iG=0, i1=0; M1 sperrt.
2.
Zündimpuls:
M1 leitet; i1 baut sich auf; iG stellt sich ein.
3.
iA > IL:
M1 sperrt; Dz wird leitend; an Lh1 liegt
negative Spannung; i1 baut sich ab.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 13
1.1.4 Zusammenfassung der Eigenschaften von Thyristoren:
1
Thyristoren können nur in eine Richtung Strom führen (iA ≥ 0).
2
Der Thyristor kann sowohl positive als auch negative Spannungen uAK sperren, dabei fließt nur ein praktisch meist zu vernachlässigender Sperrstrom.
3
Thyristoren können durch einen Zündimpuls an der Steuerelektrode, dem Gate,
vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden.
4
Der Thyristor bleibt auch ohne Zündimpuls eingeschaltet. Dabei muss aber der
Anodenstrom einmalig größer als ein bauteilspezifischer Einraststrom sein und anschließend größer als der Haltestrom bleiben.
5
Im eingeschalteten Zustand ist die Spannung uAK sehr klein.
6
Der Thyristor kann über den Steueranschluss nicht mehr in den sperrenden Zustand versetzt werden. Der Thyristor sperrt erst, wenn der Anodenstrom unter den
Haltestrom abgesunken ist und genügend lange unter diesem Wert bleibt.
7
Die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt des Anodenstroms muss begrenzt werden.
8
Der Spannungsanstieg der Anoden-Kathodenspannung duAK/dt muss begrenzt
werden.
9
Beim Abschalten des Thyristors fließt ein großer Anoden-Rückstrom.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 14
1.2
Verluste und Erwärmung in Halbleiterventilen
1.2.1 Verlustleistung in Halbleiterventilen
Die auftretenden Verlustleistungen in Halbleiterventilen setzen sich aus folgenden Anteilen
zusammen:
Sperrverluste
Psperr
Steuerverluste
Psteuer
Schaltverluste
Durchlassverluste
Ps
Pd
Blockierverluste
Pblock
In Rückwärtsrichtung bei nicht leitenden Dioden und
Thyristoren
Werden über den Steueranschluss (Gate bzw. Basis)
zugeführt
Ein- und Ausschaltverluste
Während das Ventil leitet
Bei anliegender Vorwärtsspannung, deren Betrag unterhalb der Durchbruchspannung liegt
Tabelle 1-1.2
Die gesamte Verlustleistung berechnet sich aus der Summe der einzelnen Verlustleistungen.
Bei den Anwendungen in Leistungselektronik 2 überwiegen die Durchlassverluste.
Berechnung der Schaltverluste:
Während des Ein- und Ausschaltens von Leistungshalbleitern treten kurzzeitig sehr hohe
Leistungen auf. Der auftretende Augenblickswert der Leistung berechnet sich aus:
p(t) = u(t) ⋅ i(t)
Während des Schaltens entstehen folgende Verlustenergien:
Ws,on =
 p(t) dt
Ws,off =
ton
 p(t) dt
toff
Die mittlere Schaltverlustleistung ergibt sich somit zu:
Ps = Ps,on + Ps,off =
1
1
p(t) dt +  p(t) dt = fs ⋅ (Ws,on + Ws,off )

Tt
Tt
on
off
Hierbei ist ton die Zeitdauer des Einschaltvorgangs, toff die Zeitdauer des Ausschaltvorgangs,
1
T die Periodendauer und fs = die Schaltfrequenz.
T
Die Schaltverluste sind proportional zu der Schaltfrequenz. Deshalb müssen sie bei zunehmender Schaltfrequenz (ab ca. 5kHz) immer berücksichtigt werden. Die Schaltfrequenzen
der Anwendungen in Leistungselektronik 2 sind jedoch meist so gering, dass die Schaltverluste vernachlässigt werden können.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 15
Berechnung der Durchlassverluste:
Bei Thyristoren und Dioden kann zur Berechnung der Durchlassverluste die statische Durchlasskennlinie aus Abschnitt 1.1.3 herangezogen werden. Die Durchlasskennlinie wurde dort
mit der folgenden Gerade angenähert:
uAK = UT0 + iA ⋅ RD
Die Leistung berechnet sich als zeitlicher Mittelwert aus dem Produkt der anliegenden Spannung und des fließenden Stroms:
PT =
1
u(t) ⋅ i(t)dt
T
Die mittlere Durchlassverlustleistung, welche maßgebend für die thermische Beanspruchung
ist, berechnet sich somit zu:
PT =
(
)
1
1
u(t) ⋅ i(t)dt =  UT0 ⋅ iA (t) + i2A (t) ⋅ RD dt

TT
TT
2
 1 2

1
PT = UT0 ⋅  iA (t) dt + RD ⋅ 
i
(t)
dt

 T A
TT
T




IA
I2Aeff
Wobei:
IA
=
arithmetischer Mittelwert
IAeff
=
Effektivwert
Die mittlere Durchlassverlustleistung eines Thyristors berechnet sich somit aus:
PT = UT0 ⋅ IA + RD ⋅ I2Aeff
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 16
1.2.2 Stromberechnungen
Um die mittlere Verlustleistung berechnen zu können, muss der arithmetische Mittelwert und
der Effektivwert des Stromes bekannt sein.
i(t)
Augenblickswert des
Spezifischer, zeitlicher Verlauf des
Stromes i
Stromes i, z. B. sinusförmig.
Linearer zeitlicher Mittelwert (Gleich-
I
arithmetischer Mittelwert
richtwert) des Stromes i. Der Gleich-
1
I =  i(t) dt
TT
richtwert ist der lineare Mittelwert der
Beträge der Augenblickswerte i(t),
gebildet über eine Periodendauer.
Der Effektivwert stellt den zeitlichen,
Ieff
IAeff =
Effektivwert
1 2
 iA (t) dt
TT
quadratischen Mittelwert von Wechselgrößen dar.
Tabelle 2-1.2
Beispiele:
Arithmetischer
Zeitlicher Verlauf von i(t)
Mittelwert
0 ≤ t ≤ t e : i(t) = ˆi
i( t)
te
T + te
T
I = î ⋅
te
T
Ieff = î
te
T
I = î ⋅
te
2⋅T
Ieff = î ⋅
1

t 
0 ≤ t ≤ t e : i(t) = ˆi ⋅ sin  π ⋅ 
2 ⋅ te
 t e  I = î ⋅
π⋅T
t e ≤ t ≤ T : i(t) = 0
Ieff = î ⋅
1
t e ≤ t ≤ T : i(t) = 0
t
0 ≤ t ≤ t e : i(t) = ˆi ⋅
i( t)
te
i( t)
T + te
T
t e ≤ t ≤ T : i(t) = 0
t
s in u s
te
T
T + te
t
Effektivwert
t
te
3
2
te
T
te
T
Tabelle 3-1.2
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 17
1.2.3 Thermisches Ersatzschaltbild
Elektrisches Strömungsfeld
Größe
Zeichen
Einheit
Potential
ϕ
V
Spannung
U
Strom
I
Widerstand
Kapazität
R=
U
I
C
Wärmeströmungsfeld
Größe
Zeichen
Einheit
Temperatur
ϑ
°C
V
Temperaturdifferenz
Δϑ
°C
A
Wärmeleistung
PV
W
Ω
Wärmewiderstand
Rth
F
Wärmekapazität
Cth
°C
W
Ws
°C
Tabelle 4-1.2
Bild 1-2.1
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 18
Im thermisch eingeschwungenen Zustand gilt folgender Zusammenhang zwischen den thermischen Größen:
R thJC ⋅ PVges = ϑJ − ϑC
R thCA ⋅ PVges = ϑC − ϑA
RthCA = RthCK + RthKA
Erklärung der auftretenden Größen:
PVges
Gesamte Verlustleistung die im Halbleiter entsteht
RthJC
Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse
RthCK
Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper
RthKA
Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Kühlmedium
RthCA
Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlmedium
Das Wärmespeichervermögen der Komponenten wird durch die Wärmekapazität Cth beschrieben. Dadurch erhält man das Ersatzschaltbild für den Impulsbetrieb.
Es ergeben sich folgende Wärmezeitkonstanten τ = Rth ⋅ Cth :
Silizium
ca.
2 ms
Gehäuse
ca.
2s
Kühlkörper
ca.
2…20 min
1.2.4 Kühlung
Leistungshalbleiter werden meist mit Kühlkörpern gekühlt. Der Kühlkörper sollte möglichst
dicht am Leistungshalbleiter angebracht sein, damit der Wärmeübergangswiderstand sehr
gering wird. Durch Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad kann der Wärmeübergang verbessert werden.
Man unterscheidet zwischen der natürlichen Kühlung und der verstärkten Kühlung. Bei der
natürlichen Kühlung wird die entstehende Wärme über einen Kühlkörper direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Verstärkte Kühlung bedeutet, dass der Kühlköper entweder mit Lüftern
bestückt ist, oder selbst durch Wasser oder Öl gekühlt wird.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 19
Die Kühlleistung Pk eines Kühlkörpers berechnet sich wie folgt:
Pk = ρ ⋅ c ⋅ Q ⋅ Δϑ = ρ ⋅ c ⋅ Q ⋅ R thKA ⋅ Pvges
Hierbei bedeutet:
ρ =
Dichte
Luft:
ρ = 1,20 kg / m3
c
spezifische Wärme
Luft:
c = 1,00 ⋅ 10−3 Ws /(kg ⋅ K)
Q =
Kühlstrom
Luft:
Q = 5...100 l / s
Δϑ =
Temperaturunterschied zw. Gehäuse und Umgebung
=
Um nun für den entsprechenden Anwendungsfall den richtigen Kühlkörper auswählen zu
können, geben die Kühlerhersteller zu jedem Kühlkörper den Wärmeübergangswiderstand
RthKA an. In dieser Widerstandsangabe ist bereits berücksichtigt, ob es sich um natürliche
oder verstärkte Kühlung handelt.
Übungen Leistungselektronik 2
Umdruck 1
Blatt 20