Kapitel 2 Leistungselektronische Bauelemente

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1 Kapitel 2 Leistungselektronische Bauelemente 2.1. Einführung Die Wirkungsweise der leistungselektronischen Bauelemente (auch Halbleiterventile oder kurz Ventile) kann sehr gut durch ein einfaches Schaltermodell beschrieben werden. Dabei wird eine ideale Diode in Reihe mit einem idealen Schalter geschaltet. Die Diode übernimmt die halbleitende Funktion (Strom nur in Vorwärtsrichtung!) und der Schalter die Steuerfunktion. Diode Schalter = Konventioneller Thyristor Abschaltbare Thyristoren GTO, IGCT Leistungstransistor Power MOSFET IGBT Bild 2.1: Wichtige Schalter der Leistungselektronik Anforderungen an die LE-Bauelemente: -Hohe Sperrspannungen, -Niedrige Durchlassspannungen, -Geringe Schaltverluste, -Gute Wärmeabfuhr. Die nachfolgend angegebenen Werte sind Maximalwerte. Sie sollen eine Übersicht für mögliche Einsatzfelder darstellen. Meist treten sie nicht vereint auf. Außerdem sind einige Werte auch nur in bestimmten Steuerschaltungen erreichbar. Taktfrequenz 1000 f T /khz SIT MOS- FET IGBT GTO 1 Bipolar-Transistor IGCT Thyristor 0, I D /A Durchlassstrom Bild 2.2: Übersicht über Einsatzgebiete durch Taktfrequenz und Durchlassstrom Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 11

2 Tafel 2.1: Daten von Halbleiterventilen Daten von LE- Bauelementen max. Sperrspannung U S /V max. Durchlass- Strom I D /A min. Abschaltzeit t ab /µs max. Verbraucher- Leistung S Ver /kva Taktfrequenz f T /khz MOSFET , (300) Diode Bipolar- Transistor IGBT 2000 (6000) Darlington (50) IGCT > 5000 < 1 SITH GTO-Thyristor < 2 Thyristor (300) ,05 nicht abschaltbar! Erläuterungen: SIT: Static Induction transistor, MOSFET: Metal-Oxid Semiconductor-Field- Effect-Transistor, IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor, SITH: Static Induction Thyristor GTO: Gate-turn-off, IGCT: Integrated Gate Commutated Transistor Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 12

3 Bild 2.3: Strom- und Spannungsgrenzwerte Bild 2.4: Spannungsbelastbarkeit und von Leistungshalbleitern Sperrspannung von Thyristoren Bild 2.5: Halbleiterventile, links: Scheibenzelle, IGBT-Modul (vergossen), IGBT-Halbleiter (unvergossen) rechts: wassergekühlter Stromrichters mit verspannten Scheibenzellen Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 13

4 Tafel 2.2: Übersicht zu Halbleiterbauelementen, Tei1 Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 14

5 Tafel 2.2: Übersicht zu Halbleiterbauelementen, Teil 2 Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 15

6 2.2. Leistungsdioden Dioden besitzen einen pn-übergang und sind nicht steuerbare elektronische Schalter, die den Stromfluss nur in einer Richtung zulassen. Dieser Strom wird durch Elektronen und Löcher getragen (bipolares Bauelement). Kennzeichen einer ideale Diode: - kein Ersatzwiderstand der Diode, R D, - kein Spannungsabfall in Durchlassrichtung (Durchlassspannung, forward voltage U F ), - Unendlich hohe Durchbruchspannung U Br. Die Diode schaltet ein, wenn die Durchlassspannung positiv wird. Der sich dann einstellende Strom wird ausschließlich von den übrigen Elementen der Schaltung bestimmt, denn an der idealen Diode fällt dann keine Spannung ab. Der leitende Zustand wird wieder verlassen, wenn der Strom aufgrund des äußeren Netzwerkes nicht mehr positiv ist. In Rückwärtsrichtung sperrt die Diode vollständig. Reale Diode: Kennzeichen in Durchlassrichtung: Spannungsabfall am pn-übergang (wie alle bipolaren Bauelemente) der sich aus der Schwell- bzw. Schleusenspannung U F0 (z.b. U FO 0,7V bei einem Silizium pn-übergang) sowie dem Spannungsabfall an einem Diodenwiderstand zusammensetzt, uf = UFO + if RD ; ( uf 2V bei Nennstrom ) Die Raumladung der Elektronen und die der Löcher kompensiert sich im Durchlassfall weitgehend, die Verarmungsschicht zwischen dem p und n-dotierten Material des pn-übergangs wird mit Ladungsträgern überschwemmt und verkleinert sich, Bild 2.5. Hohe Leitfähigkeit beim Überschreiten von U FO. Kennzeichen in Sperrrichtung: Es vergrößert sich die Verarmungsschicht, die an Ladungsträgern verarmt. Die reale Diode sperrt aber nicht vollständig, es fließt der Sperrstrom I R bei der Sperrspannung (reverse voltage) U R. Die Sperrwirkung endet mit dem Überschreiten einer Durchbruchspannung U Br, die zur Zerstörung der Kristallstruktur führt. Für den Betrieb bei Netzfrequenzen wird eine hohe Trägerlebensdauer (für niedrigsten Spannungsabfall) angestrebt; für höhere Frequenzen wird die Trägerlebensdauer gezielt reduziert, damit die Speicherladung klein wird. Durchlassrichtung (Vorwärtsrichtung) + - A U F, I F K Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung) A - + U R, I R K Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 16

7 U Br Ideale Diode U R, I R I F I U FO U F U F, I F U Sperrrichtung Flussrichtung Bild 2.5: Schema des pn-übergangs mit äußerer Beschaltung Bild 2.6: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (Diodenkennlinie) Bild 2.7: Kennlinien einer Germanium- und einer Siliziumdiode in Durchlassrichtung (1.Quadrant) Bild 2.8:Kennlinien von Germaniumund Siliziumdiode, (Beachten Sie den unterschiedlichen Maßstab!) Bild 2.9: Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie einer Si-Diode Im Gegensatz zum idealen Schalter mit unendlich schneller Ein- und Ausschaltung verlaufen diese Vorgänge bei realen Ventilen mit einer gewissen Trägheit. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 17

8 Einschaltverhalten von Dioden, Bild 2.10: Rechteckiger Stromimpuls Kurzzeitige Überhöhung der Durchlassspannung, da Ladungsträger noch nicht ausreichend im Verarmungsgebiet vorhanden sind Erhöhte Einschaltverluste W = i u dt Erhöhte Erwärmung, insbesondere bei hohen Pulsfrequenzen F t fr F Ausschaltverhalten von Dioden Bild 2.11: Dioden (und Thyristoren) sperren nicht augenblicklich, wenn der Durchlassstrom Null erreicht, sondern leiten noch eine kurze Zeit in der Rückwärtsrichtung, da der pn-übergang noch mit Elektronen und Löchern überschwemmt ist (Ausräum- oder Sperrverzögerungszeit t rr Trägerstaueffekt). Erst nach einer Verzögerung wird mit relativ großer und steiler Rückstromspitze I RM in negative Richtung abgeschaltet Ausräumstrom (Ladungsträger werden aus dem pn-übergang ausgeräumt). u F, i F u F i F i F t rr u F 0,1uF0 t fr 1,1u F0 u F0 t I RM U RM t fr = Durchlasserholzeit u F0 =statische Schleusenspannung I RM =Rückstromspitze, U RM =Max. Induktionsspannung Bild 2.10: Einschaltverhalten Bild 2.11:Ausschaltverhalten einer Diode einer Diode Dadurch können in Verbindung mit der Netzspannung U N und Induktivitäten (z.b. der Trafostreuinduktivität des vorgeschalteten Trafos) große Spannungen induziert werden, dir ur = UN + L dt die zur Diodenzerstörung führen. R und C-Beschaltung parallel zur Diode notwendig =TSE-Beschaltung (Trägerspeichereffekt-Beschaltung), Bild Außerdem tritt eine erhöhte Verlustleistung u R i R =Ausschaltverlustleistung auf. i R t u R mit TSE u R ohne TSE L R Bild 2.12: Schutzmaßnahmen für Halbleiterschalter, TSE-Beschaltung U N U F C Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 18

9 Sonderformen: Fast Recovery Epitaxial Diode (FRED): Kurze Raumladungszone und reduzierte Trägerlebensdauer ergeben eine geringe Speicherladung; für besonders geringe Schaltverluste. Schottky Dioden: Metall-Halbleiter-Übergang; mit sehr niedriger Schwellspannung und vernachlässigbarer Speicherladung; daher geringe Durchlass- und geringste Schaltverluste; die Sperrspannung ist max. 200 V Bild 2.13:Verschiedene Dioden-Bauformen Aufbau einer Leistungs-Gleichrichterdiode Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 19

10 2.3. Thyristoren (Thyristor=Thyratron +Transistor) Ein Thyristor enthält vier unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten in der Reihenfolge pnpn. In dieser Schichtenfolge kann er in einen pnp-transistor, eine z-diode und einen npn-transistor zerlegt werden, siehe Bild Bild 2.14: Darstellung der Vierschichtdiode a) Aufbau, b) Ersatzbild, c) Ersatzschaltung mit Transistoren, d) Schaltbild A A A G K Bild 2.15: Ersatzschaltbild eines Thyristors (pnp-transistor / z-diode / npn-transistor) G K oder G Bild 2.16: Schaltzeichen eines Thyristors K + A - A U G U G - K + K Bild 2.17: Spannungsbeanspruchung in Vorwärtsrichtung (positive Richtung) Bild 2.18: Spannungsbeanspruchung in Rückwärtsrichtung (negative Richtung) Thyristoren können im Gegensatz zu Dioden mit Hilfe eines Steuerimpulses zugeschaltet werden, jedoch nicht abgeschaltet werden (außer mit Zwangslöschschaltungen) Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 20

11 Betriebszustände des Thyristors: -Blockierzustand: Spannungsbeanspruchung in Vorwärtsrichtung aber kein Steuerstrom eingespeist Thyristor sperrt -Durchlasszustand: Spannungsbeanspruchung in Vorwärtsrichtung und Steuerstrom eingespeist Thyristor leitet -Sperrzustand: Spannungsbeanspruchung in Rückwärtsrichtung Thyristor sperrt Zünden des Thyristors (Übergang vom Blockier- in den Durchlasszustand bei Spannungsbeanspruchung in Vorwärtsrichtung) durch: 1) Überschreitung einer kritischen Spannung, der Nullkippspannung ( Überkopfzündung ) kann zur Bauelementezerstörung führen und sollte vermieden werden. 2) Schnelle positive Spannungsanstiege (du/dt) im Blockierzustand ohne Steuerimpuls Übergang in den leitenden Zustand, (kritische Spannungssteilheit). Dagegen und gegen Überspannungen hilft eine TSE-Beschaltung. 3) Einspeisen eines kurzen Steuerstromimpulses in das Gate (z.b. 100µs) übliches Einschalten. Nach dem Zünden braucht kein Steuerstrom mehr fließen, ohne das der Thyristor verlöscht, wenn ein Mindeststrom fließt (Einraststrom). Der Mindeststrom, der fließen muß, damit der Thyristor noch leitet ist der Haltestrom I H. Zum Ausschalten muß der Durchlassstrom sehr klein werden ( 0). Nach der sogenannten Freiwerdezeit sperrt er auch wieder bei positiver Anodenspannung. Spannungsbeanspruchung in Rückwärtsrichtung: Der Thyristor verhält sich wie eine in Sperrichtung betriebene Diode. Ohne Gatestrom sperrt der Thyristor sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung. U Br Ideales Verhalten I I H Zündimpuls Rückwärts- Sperrkennlinie U T0 I G2 I G1 Durchlasskennlinie Blockierkennlinie U I G =0 Bild 2.19: Aufbau eines Thyristors Bild 2.20: Kennlinienfeld eines Thyristors Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 21

12 Ein- und Ausschaltvorgang: Einschaltvorgang Ausschaltvorgang u T i T i F t q u F t d t r t gt I G t t d =Zündverzug, t r =Durchschaltzeit, t q =Freiwerdezeit t gt =Einschaltzeit Bild 2.21: Spannungs- und Stromverlauf während des Ein- und Ausschaltvorgangs Einschaltvorgang: Hohe Einschaltverluste, insbesondere bei hoher Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt, die z.b. bei Kondensatorlast auftritt Kritische Stromsteilheit. Um der Zündung Zeit zum Ausbreiten über die Thyristorfläche (bis zu 100 cm 2 ) zu geben, muss die Stromsteilheit di/dt beim Einschalten begrenzt werden, gegebenenfalls mit kleiner Drosselspule in Reihe. Ansonsten können örtliche Überhitzungen auftreten, die zur Zerstörung führen. Durchlassspannung des Thyristors: uf = UTO + if R T; RT ( u 1,5...3V bei Nennstrom ) F Ausschaltvorgang: i R u R = Thyristorwiderstan d Die Ausschaltverlustleistung ist meist klein im Vergleich zur Einschaltverlustleistung und zum Teil vernachlässigbar. Aufgrund der hohen Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern kann die Stromdichte extrem hoch sein (> 100 A/cm 2 ), aber auch die gespeicherte Ladung ist sehr hoch. Beim Ausschalten können steile Stromabfälle des Sperrstroms in Verbindung mit Induktivitäten (z.b. Trafostreuinduktivität) große Spannungen induzieren (Trägerstaueffekt), die zur Zerstörung führen können. Außerdem muss die Freiwerdezeit t q abgewartet werden, bevor wieder eine Blockierspannung angelegt wird, ansonsten zündet der Thyristor erneut ohne Zündimpuls (siehe Wechselrichterkippen). Zusammen mit einer Sicherheitszeit ergibt sich die Schonzeit t s des Thyristors: t s >1,5*t q Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 22 t

13 Thyristoren für größere Spannungen: Dicke Basiszonen lange Freiwerdezeiten deshalb zwei Grundtypen: - Netzthyristoren (N-Thyristoren) für große Spannungen und Ströme, Freiwerdezeiten > 100μs - Frequenzthyristoren (F-Thyristoren) für kleiner Spannungen und Ströme, wesentlich kürzere Freiwerdezeiten. Der Thyristor war lange Zeit das wichtigste steuerbare Bauelement der Leistungselektronik. Seit jedoch Leistungstransistoren zur Verfügung stehen, schwindet seine Bedeutung. Anwendung des Thyristors: In netzgeführten Stromrichtern, die für Gleichstromantriebe üblich sind und bei sehr großen Leistungen wie bei Direktumrichtern oder Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungen (HGÜ) Thyristormodifikationen Zweirichtungs-Thyristoren (Triacs, Diacs) Das Einschalten zu einem beliebigen Zeitpunkt kann durch die Antiparallelschaltung von 2 Thyristoren auch für die umgekehrte Stromrichtung realisiert werden. Die antiparallel geschalteten Thyristoren als ein Bauelement heißen Triacs (auch Symistor). Mit dem Triac wird beispielsweise eine einstellbare Vollwellengleichrichtung realisiert. Die Schaltung ist als sog. Dimmer in beinahe jedem Haushalt anzutreffen Bild 2.22: Triac, Aufbau, Schaltzeichen, Ausgangskennlinie und Bauformen (v.l.n.r) Wenn der Steuerwinkel zu Null gesetzt wird, d.h. immer im Nulldurchgang gezündet wird, ist der Triac ein Wechselstromschalter auf Halbleiterbasis (= Halbleiter-Relais). Triacs haben gegenüber Thyristoren eine geringere maximal zulässige Spannungssteilheit du/dt, deshalb sind sie meistens nur für ohmsche Verbraucher und im unteren und mittleren Leistungsbereich einsetzbar. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 23

14 Fotothyristoren Zündung des Thyristors durch Lichteinstrahlung. Dadurch Einsparung von Potentialtrennern zwischen Thyristor und Signalaufbereitung Abschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristor) Der GTO (Gate-Turn-Off-Thyristor) kann durch einen positiven Gateimpuls wie ein herkömmlicher Thyristor gezündet werden, durch einen negativen Gateimpuls aber auch wieder ausgeschaltet werden. Seine Anwendung erfordert allerdings eine relativ aufwendige Steuerschaltung und vergleichsweise hohe Steuerleistungen (aufwendige Gate-Unit). Außerdem treten hohe Schaltverluste auf. Sein Anwendung ist damit auf größere Leistungen beschränkt (z.b. Umrichter im ICE) Bipolare Leistungstransistoren (BTR) Aufbau und Wirkungsweise Bipolare Transistoren: Elektronen und Löcher tragen zum Stromfluss bei. Pnp- oder npn-schichtenfolge (Kollektor-, Emitter und Basisschicht), als Leistungstransistor meistens nur npn-typ (wegen der hohen Elektronenbeweglichkeit) mit dem Grundmaterial Silizium. C C B E npn-transistor B E pnp-transistor Bild 2.23: Schaltzeichen für Transistoren R I B I C + Bild 2.24: Bipolarer Transistor (npn-typ) mit Strömen und äußerer Beschaltung Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 24

15 Bild 2.25: Aufbau eines integrierten bipolaren Transistors Die Grundschaltung des Leistungstransistors ist die Emitterschaltung. Liegt eine Basis-Emitter-Spannung in der in Bild 2.24 angegebenen Polarität an, fließt eine Basisstrom (Steuerstrom) von der Basis zum Emitter. Dadurch kommt es mit dem Stromverstärkungsfaktor B zum verstärkten Stromfluss im Kollektor-Emitter Zweig. Stromverstärkung: I Kollektorstrom C B = = I B Basisstrom BTR können in Vorwärtsrichtung leiten und sperren. In Rückwärtsrichtung können sie weder leiten noch sperren, im Gegensatz zu Thyristoren also keine negative Sperrspannung aufnehmen. Die hohe Ladungsträgerdichte im eingeschalteten Fall ermöglicht hohe Stromdichten, aber die hohe Speicherladung begrenzt den Betriebsfrequenzbereich auf < 10 khz. Diese Dimensionierung ergibt eine geringe Stromverstärkung (3 B 30), so dass BTR eine beachtliche Ansteuerleistung benötigen, die während der gesamten Leitdauer aufgebracht werden muss. Heute stehen jedoch mit dem MOSFET und dem IGBT (siehe unten) Bauelemente zur Verfügung, die dieses Problem nicht kennen. Bei voller Aussteuerung tritt zwischen Emitter und Kollektor ein Durchlassspannungsabfall von 1...1,5V auf (wie bei Dioden und Thyristoren) Die geringe Stromverstärkung der BTR kann durch vorgeschaltete, integrierte Treibertransistoren verbessert werden, so dass Stromverstärkungen von B 100 möglich werden (Darlingtonschaltung, Bild 2.26). Darlington-Schaltungen werden als integrierte Schaltungen (auf einem Kristall, in einem Gehäuse) ausgeführt. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 25

16 B C B C B C a) T1 T2 E b) R Bild 2.26: Transistoren in Darlington-Schaltung a) zweistufige Schaltung, b) zweistufige Schaltung mit Beschaltungselementen, c) dreistufige Schaltung Nachteile der Darlington-Schaltung: R - Kollektor-Emitter Spannung im Leitzustand größer als bei Transistoren - Ungünstigeres Schaltverhalten - Zusatzbeschaltungen (siehe Bild.2.26b, Kollektor-Emitter-Reststromes von T1 gelangt an Basis von T2 und wird dort verstärkt. Diode (Speed Up-Diode) verbessert Ausschaltvorgang) E c) T1 T2 T3 E I C U CE Bild 2.27: Transistor mit gegensinnig parallelgeschalteter Diode (Inversdiode) Wird ein Transistor gegensinnig mit einer Diode parallelgeschaltet, Bild 2.27, so kann das Ventil Spannung in einer Richtung aufnehmen (sperren) und den Strom in beiden Richtungen leiten. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 26

17 Der Transistor als Schalter Bild 2.28: Ein Transistor kann mit seinen Endzuständen leitend bzw. gesperrt auch als schneller, prell- und verschleißfreier Schalter oder steuerbarer Widerstand dargestellt werden Transistoren, egal welchen Typs, werden in der Leistungselektronik praktisch immer im Schaltbetrieb eingesetzt, d.h. sie sind entweder ganz durchgeschaltet oder gesperrt. Die Umschaltung zwischen gesperrt und leitend sollte möglichst schnell erfolgen, um die Leistungsaufnahme niedrig zu halten. Ein linearer Betrieb (Basisstrom steuert linear den Kollektorstrom) kommt allenfalls bei sehr kleinen Leistungen in Frage. I C I Ideales Schaltverhalten A B I B U CE0 U CE U CE0 =Sättigungsspannung Bild 2.29: Kennlinienfeld eines Transistors mit eingezeichneter Arbeitsgeraden und zwei verschiedenen Arbeitspunkten A und B Wenn der Transistor nur in den Arbeitspunkten A oder B nach Bild 2.29 betrieben wird, so ergibt sich der Schalterbetrieb mit folgenden Betriebszuständen: Transistor gesperrt: kein Basisstrom, I C = 0, bzw. kein Ansteuersignal zwischen Emitter und Basis von U BE > 0,6V... 0,7V, Transistor hochohmig Transistor eingeschaltet: hoher Basisstrom, I C ist maximal bzw. Ansteuerung der Basis mit etwa U BE > 0,7V, Transistor niederohmig, 1V U CE0 3V Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 27

18 2.6. Feldeffekt-Leistungstransistoren (MOSFETs) Aufbau und Wirkungsweise Der MOSFET (Metalloxide Semiconductor Field Effect Transistor) wird nicht durch einen Strom an der Basis, sondern durch eine Spannung am Gate (G) angesteuert und steuert eine Drain(D)-Source(S)-Strecke. Die Ansteuerung ist damit praktisch leistungslos, nur zum Aufladen bzw. Entladen der Gate-Source-Kapazität muss die Ansteuerschaltung Strom liefern. D D Bild 2.30: Schaltzeichen von MOSFETS G S N-Kanal Typ G S P-Kanal Typ Wegen der besseren Elektronenbeweglichkeit werden in der Leistungselektronik ü- berwiegend n-kanal MOSFET als selbstsperrender Typ eingesetzt. Sie sperren und leiten in Vorwärtsrichtung, können aber keine negative Sperrspannung aufnehmen (Der MOSFET beinhaltet eine parasitäre antiparallele Diode) Da nur eine Ladungsträgersorte vorhanden ist, gibt es praktisch keine Speichereffekte und die Schaltfrequenz ist sehr hoch (MHz). Der parasitäre pn-übergang kann als Reversdiode genutzt werden, wenn sie für geringe Speicherladung dimensioniert ist. Wird der Kanal auch bei negativer Drainspannung eingeschaltet, kann er ebenfalls Strom in der Rückwärtsrichtung führen. Ein wichtiger Parameter des MOSFET ist der Durchlasswiderstand r DS(on) zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand. Für ihn gilt näherungsweise: r DS( on ) = k u 2,5 DS max Darin ist u DSmax die maximal sperrbare Vorwärtsspannung, K ist eine Konstante. Baut man also MOSFETs für große Spannungen, so haben diese verhältnismäßig große Durchlasswiderstände (Verluste!). MOSFETs sind deshalb vorteilhaft nur für kleinere Spannungen (<400V) einsetzbar und wenn hohe Schaltfrequenzen gefordert werden. Da beim Leistungs-MOSFET nur Elektronen zum Stromfluss beitragen unipolares Bauelement. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 28

19 Bild 2.31: Kennlinienfeld eines Feldeffekttransistors Bild 2.32: MOSFET (eine mögliche Variante Bild 2.33: Schema eines Feldeffekt-Transistors Bild 2.34: Leistungs-MOSFET-Zelle mit den wichtigsten parasitären Elementen a) parasitäre Elemente in der Zellstruktur, b) Ersatzschaltbild mit parasitären Elementen Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 29

20 2.7. Bipolare Transistoren mit isoliertem Steueranschluss (IGBTs) Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) stellt gewissermaßen eine Kombination aus MOSFET und bipolarem Transistor dar, (was auch im Schaltzeichen zum Ausdruck kommt). Er hat den Vorteil einer praktisch leistungslosen Ansteuerung und vermeidet den Nachteil des MOSFETs hinsichtlich des hohen Durchlasswiderstandes. Es ist auch möglich, symmetrisch sperrende IGBTs zu bauen, in der Regel werden aber IGBTs mit antiparalleler Diode betrieben. Kollektor C Gate G Emitter Bild 2.33:Gebräuchliche Schaltzeichen eines IGBT E Bild 2.34: Vereinfachte Ersatzschaltung In der Antriebstechnik hat der IGBT in den letzten Jahren große Verbreitung gefunden. Wechselrichter zum Betrieb von Asynchron- und Synchronmaschinen im Leistungsbereich von wenigen 100W bis in den MW-Bereich werden heute fast ausschließlich mit IGBTs realisiert. Bild 2.35: Sechs IGBT-Module montiert auf einen Flächenkühlkörper Bild 2.36: IGBT-Modul Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 30

21 Bild 2.37: IGBT-Zelle (NPT-Konzept) mit den wichtigsten parasitären Elementen a) parasitäre Elemente in der Zellstruktur b) Ersatzschaltbild mit parasitären Elementen Vergleich IGBT MOSFET: - Bei niedrigen Sperrspannungen haben IGBTs einen höheren Durchlassspannungs abfall - Bei höheren Sperrspannungen (>100V) haben MOSFETs einen höheren Durchlass spannungsabfall Deshalb MOSFET-Einsatz für niedrige Spannungen, IGBTs für mittlere und höhere Spannungen 2.8. Intelligente Leistungshalbleiter (Smart-Power-Element) Neben dem eigentlichen Leistungsbauelement sind weitere integrierte Bauelemente enthalten intelligente Leistungshalbleiter.. Vorwiegend in Verbindung mit MOSFET- oder IGBT-Halbleitern. Große Vielfalt von zusätzlichen Funktionen möglich, z.b. Diagnosefunktionen, Informationsverarbeitung, Ansteuerfunktionen, galvanische Trennungen, Mikrocomputerkompatibilität, u.s.w. G D Bild 2.38: Schutz eines Feldeffekt- Leistungstransistors gegen Übertemperatur durch einen integrierten Temperatursensor T S Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 31

22 2.9. Gehäusebauformen von Leistungshalbleiterschaltern Aktiver Teil: Siliziumscheibe von einigen Zehntel mm Dicke, Fläche von einigen mm² bis ca. 100 cm² Schutz in einem isoliertem, gasdichten Gehäuse notwendig Kleine Leistungen: Durchgehendes Kunststoffgehäuse Größere Leistungen: Einseitiger galvanisch getrennter Metallboden zur Wärmeabfuhr an den Kühlkörper Modultechnik: Mehrere Leistungshalbleiter sind in einem Gehäuse integriert einfacherer Schaltungsaufbau mit geringem Raumbedarf, geringe Leitungsinduktivitäten, häufiger Einsatz außer bei sehr hohen Leistungen Leiterplattenbauelemente: Strom-/Spannungsbereich: bis 10 A / 1000 V (Impulsströme bis ca. 50 A) Bauformbezeichnungen: TO 3, TO 204, TO 218, TO 220 usw. Eigenschaften: Anschlüsse lötfähig, Kühlanschluß meist nicht isoliert, Kühlung durch Luft, evtl. mit Kühlfahnen. Modulbauelemente: Strom-/Spannungsbereich: A / V Eigenschaften: Schraubanschlüsse, Wärmeabfuhr über Metallboden (einseitige Kühlung) und meist isoliert, häufig zwei oder mehr Schalter in einem Gehäuse (z. B. zwei Transistoren, Thyristoren, alle Dioden und Transistorchips für einen kompletten Gleich- und/oder Wechselrichter). Neue Module ( Intelligent power moduls ) enthalten auch Ansteuer- und Überwachungselektronik. Schraubbauelemente: Strom-/Spannungsbereich: A / V Eigenschaften: Einseitiges, nicht isoliertes Schraubgewinde als Anoden- bzw. Katodenanschluss und zur Wärmeabfuhr, einseitige Wärmeabfuhr, Zweiter Anschluss als Litze mit Öse ausgeführt. Alte, preiswerte Bauform für Thyristoren und Dioden. Scheibenbauelemente: Strom-/Spannungsbereich: A / V (Spezialanwendungen bis 10 kv) Eigenschaften: beidseitige Kupferstempel zur Stromzuführung und nichtisolierte Wärmeabfuhr; damit beidseitige Kühlung möglich. Wird im Höchstleistungsbereich eingesetzt. Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 32

23 Bild 3.39: Bauformen von Leistungshalbleitern Schutz von Leistungshalbleitern Beschädigung oder Zerstörung durch: 1. Überstrom im Kurzzeit- und Langzeitbereich 2. Überspannungen während des Betriebs Überstrom: - Kühlkörper zur Wärmeabfuhr - Wasser- und Luftkühlung Passiver Schutz: Kaum möglich und nur bei Dioden und Thyristoren durch superflinke Halbleitersicherungen Aktiver Schutz: Überwachungselektronik im Steuergerät Sperren der Ansteuerung Stromsteilheit di dt : Stromsteilheiten werden durch Induktivitäten begrenzt, ev. zusätzliche Induktivitäten Überspannung Gegen äußere Überspannungen: Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 33

24 Spannungs-Sicherheitsfaktor für die Stromrichteranlage k u zulässige periodische Spitzensperrspannung = Scheitelwert der höchsten Anschlussspannung Üblich sind Werte zwischen 2 und 2,5; z.b. bei 1400V-Thyristor am 400V-Netz: k u =2,5 Gegen innere Überspannungen: Innere Überspannungen durch den Trägerstaueffekt (TSE) oder durch Schalthandlungen. Damit - Bekämpfung der Überspannung, die durch TSE-Effekt hervorgerufen werden - Begrenzung der Spannungssteilheit Gleichmäßige Spannungsaufteilung bei Reihenschaltungen von Halbleitern, die bei hoher Netzspannung notwendig ist. ~ R C R R C C Bild 2.40: Stromrichter-Schutzbeschaltung gegen Überspannung auf der Wechsel- und Gleichstromseite R C = Skript LE04_02.doc- Ausgabe September 2004 Mi 34