Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK

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1 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK Best Of Elektronik

2 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK Inhaltsverzeichnis 1 Thyristor Schaltszeichen Eingangskennlinie: Ausgangskennlinie: IAC otierungsfolge Schaltsymbol Kennlinie TRIAC Aufbau: rinzip: Schaltsymbol: Kennlinie: Verwendung: Leistungs-MOSFET Aufbau IBT Aufbau: Ersatzschaltung: Schaltsymbol: [2]

3 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK Thyristor Eingangskennlinie: 1 Thyristor er ame Thyristor setzt sich aus Thyratron und Transistor zusammen. Thyratron waren Quecksilber ampf gefüllte leichrichterröhren. Im englischen Sprachraum (SCR = silicon controlled rectifier) er Thyristor ist ein 4-Schicht Leiter Bauelement, bestehend aus einer Silizium Scheibe, die die otierungsfolge aufweist. A... Anode A K K... Kathode... ate adurch entstehen im inneren 3 Übergänge, von denen der Mittlere umgekehrte olarität besitzt. Somit sperrt der Thyristor in beiden Richtungen. Liegt an der äußeren -Schicht eine positive bzw. an der -Schicht eine negative Spannung, so ist der Thyristor in Vorwärtsrichtung geschaltet. Es sperrt nur der mittlere Übergang. Wird nun an die innere Schicht eine positive Spannung angelegt so wird durch den fließenden Strom die Sperrschicht mit Ladungsträger überflutet. amit verhält sich dieser Teil des Thyristors wie eine große -Schicht d.h. der gesamte Thyristor arbeitet wie eine iode in urchlassrichtung. ach dem Zünden des Thyristors kann die ate-spannung abgeschaltet werden, da durch den Hauptstrom die Überflutung der atezone mit Ladungsträger aufrechterhalten wird. er Thyristor verlöscht erst wieder, wenn der Hauptstrom 0 wird. Bei negativer olung sperren die beiden äußeren -Übergänge und der Thyristor verhält sich wie eine iode in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung) Schaltszeichen -ate-thyristor -ate-thyristor Thyristortetrode A K A K 1 A 2 K 1.2 Eingangskennlinie: I [ma] tot sicher Zünden wahrscheinlich Zünden sicher nicht Zünden U K [V] 3

4 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK Thyristor Ausgangskennlinie: ie Eingangskennlinie entspricht einer iodenkennlinie. ie für das Zünden notwendigen Ströme liegen sehr nahe an der Tot renze, daher werden zum Ansteuern nur kurze Stromimpulse verwendet die in den Tot Bereich hineinreichen. 1.3 Ausgangskennlinie: I T urchlasskennlinie I 3 >I 2 >I 1 >0 I 3 I 2 I 1 I U I =0 H BR U B0 U T Ohne atestrom zündet der Transistor bei U B0 (äußerer -Übergang bricht durch.) Man bezeichnet das auch als Zünden über Kopf. Beim einspeisen eines atestromes genügen entsprechend kleinere ate-spannungen zum Zünden. un verhält sich der Thyristor wie eine iode in urchlassrichtung, wird allerdings der Strom I H (Haltestrom) unterschritten, so kann die Überflutung der atezone nicht mehr aufrecht erhalten werden und der Thyristor verlöscht. ie Ansteuerung des Thyristors erfolgt durch Anlegen einer Zündspannung zum gewünschten Zeitpunkt. ist eine Schutzdiode für negatives U K U ~ R v U Th α... Zündwinkel γ... Stromflusswinkel α+γ=180 U Th α γ t i t 4

5 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK IAC Ausgangskennlinie: ach 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 => hasenanschnittssteuerung. U ~ R v U Th C iac (Triggerdiode) Verwendet man anstatt des Vorwiderstandes einen frequenzabhängigen Spannungsteiler, so erreicht man durch die hasenverschiebung, dass der Zündwinkel über 90 verschoben werden kann. urch den eingebauten iac kann der Zündzeitpunkt des Thyristors stabilisiert werden. 2 IAC iac. diode for alternating current otierungsfolge Schaltsymbol Kennlinie i urchlasskennlinie Sperrkennlinie 25-20V U 5

6 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK TRIAC Ausgangskennlinie: Bei Stromrichterschaltungen wird aus mehreren ründen eine galvanische Trennung zwischen Leistungsteil und Ansteuerelektronik gefordert. Zündübertrager: +U B Wird der Transistor angesteuert so beginnt durch die rimärwicklung 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 rund 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 rossel vorgesehen werden. a Induktivitäten hohe Selbstinduktionsspannungen erzeugen, wird zum Thyristor noch ein RC-lied parallel geschaltet. ieses bildet mit der Induktivität einen Schwingreis, in dem die Energie langsam abgebaut wird. R L R C Um den Thyristor gegen Stromüberlastung zu schützen sind flinke Sicherungen vorzusehen 3 TRIAC Triac. triode for alternating current Thyristoren haben den achteil, dass sie nur in eine Richtung leiten, für Wechselstromsteller, die beide Halbwellen schalten sollen müssen daher 2 Thyristoren antiparallel geschalten werden. 6

7 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK TRIAC Aufbau: 3.1 Aufbau: A A H2 H2 K + H1,2 Hauptelektroden K = iese Anordnung ist bei beiden Hauptspannungsrichtungen sowohl mit positiver als auch mit negativer Zündspannung an steuerbar. a der Wirkungsgrad größer ist, wenn Zünd- und Hauptspannung gleiche Richtung haben, sollte dies die bevorzugte Art der Ansteuerung sein rinzip: H1 => H1 H2 H1 R L Schaltsymbol: H 2 H Kennlinie: i T u B0 u T 7

8 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK TRIAC Verwendung: 3.3 Verwendung: Am häufigsten für Wechselstromsteller (Stromrichterschaltungen, die die Amplitude der Spannung ändern können). W1 einphasig W3...dreiphasig immer rehzahlregler für 1hasenwechselstrommotoren Sanftanlaufschaltung für Asynchronmotoren (W3) er häufigste Wechselstromsteller ist eine hasenanschnittssteuerung: z.b. immer: Si flink L S R U ~ C S C L Ls Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit Ls, Cs LC Tiefpass um Störungen zu filtern R, C.. Schutzbeschaltung für Triac i α λ t Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die Schwingungspaketsteuerung. abei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet, wodurch keine Schaltflanken auftreten. i T t ein t aus t Tastverhältnis: a der Mittelungszeitraum hier höher ist, als bei der hasenanschnittssteuerung, ist die Schwingungspaketsteuerung nur für träge System geeignet, z.b. Heizung. eben Wechselstromsteller werden Triacs auch als Wechselstromschalter verwendet, um herkömmliche mechanische Schaltkontakte (z.b. Relais) zu ersetzen => Halbleiterrelais (Solid State Relais) Halbleiterrelais: 8

9 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK Leistungs-MOSFET Verwendung: +U B R L u ~ Isolationsspannungen > 2kV a der hototriac nur sehr kleine Ströme schalten kann (<=500mA), wird meist noch ein Leistungstriac nachgeschaltet. +U B Halbleiterrelais sind derzeit bis 25A erhältlich. as Ausschalten geschieht immer im Spannungsnulldurchgang, das Einschalten kann jedoch zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, sollte dieses auch im Spannungsnulldurchgang sein, so kann noch ein ullspannungsschalter eingebaut werden. R 1 R 2 ullspannungsschalter er ullspannungsschalter stellt eine Zündsperre für den Thyristor dar. Sobald die Spannung an der Basis des Transistors eine bestimmte renze überschritten hat, leitet dieser und er zieht das ate auf das Kathodenpotentials des Thyristors. Somit ist keine Zündung mehr möglich. ie 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. ie klassische Bauform (horizontaler Kanal) hat aber den achteil, dass der Kanal sehr schmal ist und der FET einen relativ hohen R Son besitzt. 9

10 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK IBT Aufbau 4.1 Aufbau selbstsperrender MOSFET Siemens Leistungs MOSFET S + + S Kanal Elektronen Kanal - + SiO 2 (Isolierschicht) + + C + SiO 2 (Isolierschicht) Übergang S Leistungsmosfet besitzen eine vertikale Struktur. adurch ist es möglich auf einem Chip viele Einzeltransistoren parallel zu schalten, und damit einen R Son von kleiner 1Ω zu realisieren. Um den FET zu Schalten wird eine U S von 10-15V benötigt. ie Ansteuerung soll immer über eine egentaktendstufe erfolgen. C S S...für schnelles Schalten ie Kapazitäten des MOSFET bilden zusammen mit dem Kollektorwiderstand ein RC-lied, das den Einschaltvorgang verlangsamt und damit die Verlustleistung des Transistors erhöht. Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, verwendet man egentaktansteuerung. Es können auch Ausgänge von CMOS-ICs verwendet werden z.b (6-fach Inverter). Um den Strom zu erhöhen können mehrere MOSFETs parallel geschalten werden. Sollten parasitäre Schwingungen auftreten, so sind atevorwiderstände (10-20Ω) vorzusehen. ie Entwicklung bei den Leistungsmosfets geht in Richtung intelligente Halbleiter (smart power devices). erartige Bausteine enthalten TTL kompatible Ansteuerlogik, Temperatur und Stromüberwachung, Ladungspumpen für Highsideansteuerung, iagnoselogik usw. 5 IBT IBT. Insulated gate bipolar transistor er IBT ist spannungsgesteuert. er achteil des MOSFET ist der für sehr große Ströme immer noch zu hohe R Son was zu sehr großen Verlustleistungen führt. ies hat zur Entwicklung des IBT geführt. Jener besitzt im egensatz zum 10

11 Bauelemente der LEISTUSELEKTROIK IBT Aufbau: MOSFET eine zusätzliche -Schicht auf der rainseite, wodurch eine Struktur eines -Transistors entsteht. er -Kanal wirkt nun als Basis des Transistors. 5.1 Aufbau: S + + SiO 2 -Kanal Ersatzschaltung: (=C) S = (E) Schaltsymbol: C E aher wirkt die Schaltung wie ein Komplementär-arlington-Transistor ie Ansteuerung erfolgt wieder wie beim MOSFET mit einer egentaktendstufe. Mit IBT können Spannungen bis zu 1400V und Ströme bis zu 100A pro Transistor geschalten werden. C arasitärer Thyristor S = (E) er IBT muss gegenüber Stromüberlastung geschützt werden, da die Schichtfolge einen parasitären Thyristor bildet der zünden kann, wobei kein Abschalten mehr möglich ist. 11