Arbeitsblätter. Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -1-

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1 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -1- Einführung Thyristoren, GTO s und Triac s werden überwiegend in der Leistungselektronik eingesetzt. Dabei wird das Bauelement als Schalter benutzt. Einen Thyristor kann man sich aus zwei Transistoren - je einem pnp- bzw npn-typ - zusammengesetzt denken (und so z.b. auch simulieren). Die nschlüsse lauten node, Kathode und Gate (Steuerelektrode). Damit läßt sich eine schaltbare Diode verwirklichen, d.h. in eine Richtung sperrt der Thyristor (bis zu einer gewissen Durchbruchspannung) und in der anderen arbeitet er als steuerbarer Schalter. Bei einem Stromimpuls am Gate kann die noden-kathoden-strecke leitend gemacht werden. Diese Leitfähigkeit bleibt solange erhalten, bis der Haltestrom unterschritten wird, auch wenn am Gate keine Steuerspannung mehr vorliegt. Thyristoren werden bis zu einigen kv und k verwendet. Eine Sonderform ist der GTO (gate turn off), bei dem durch einen großen negativen Stromimpuls am Gate der Thyristor auch wieder ausgeschaltet werden kann, welches die Schaltungstechnik deutlich vereinfacht und ander Steuerungskonzepte erlaubt. Ein TRIC funktioniert sehr ähnlich wie ein Thyristor, nur daß er in beiden Richtungen als Schalter verwendbar ist. Nachteilig ist der etwas höhere Gatestrom und die Tatsache, daß er sich nicht für hohe Leistungen bauen läßt. IGBT steht für Isolated Gate Bipolar Transistor; er ist also eine Kombination aus einem Feldeffekttransistor am Eingang (Vorteil: geringe Steuerleistung) und einem Bipolartransistor am usgang (Vorteil: Geringe Sättigungsspannung im durchgeschalteten Zustand). ufgrund seiner guten Schalteigenschaften hat dieses relativ neue Bauteil sehr schnell seine nwendungsgebiete gefunden. Literatur zum Thema: R.Müller: Bauelemente der Halbleiterelektronik, Springer Verlag 1979 M.Reisch: Elektronische Bauelemente, Springer 1997 H.Schaumburg: Halbleiter, Teubner Verlag Stuttgart, 1991 S.M. Sze: Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, 1969 D.Nührmann: Das große Werkbuch Elektronik, Franzis Verlag 1994, 3 Bände (c) S. Weber,

2 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -2- Querschnitte: Vierschicht-Struktur Thyristor bei Sperrspannung: bb. 1 (e_sch.wpg) Zonenfolge eines Thyrisors, SperrSpannung Thyristor bei Blockierspannung bb. 2 (e_sch.wpg) Zonenfolge eines Thyristors, Blockierspannung Thyristor im gezündeten Zustand (Hochinjektion): bb. 3 (e_sch.wpg) Zonenfolge eines Thyristors, gezündeter Zustand (Injektion)

3 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -3- Thermodynamisches Gleichgewicht 1e+018 1e dot -- "dot1.000" "dot1.000" 1e+016 dot 1e+015 1e+014 1e+013 1e Laenge [nm] bb. 4 (DOT_thy.eps) Dotierungsprofil eines Thyristors uu -- "uu1.006" "uu1.006" uu Laenge [nm] bb. 5 (UU_thy.eps) Potentialverteilung im Thyristor

4 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -4- Simulation: Blockierspannung n,p [cm ] U>0 Blockier-Richtung: Trägerdichten K 0V p+ p(x) Diffusionsschwanz n(x) gesperrter pn-übergang RLZ p(x) n- p- E n(x) n D [µm] 100 bb. 6 (block_pn.eps) Trägerdichteverteilung im Thyristor bei Blockierspannung. Die Verarmungszone (Raumladungszone) breitet sich um den inneren pn-übergang aus. 0 Psi [V] p Halbleiterpotential, blockierter Zustand Löcher-Emitter Elektronen- Emitter p+ n+ -2 steuerbare Potentialschwelle -2,5 Löcherstrom p(+) =Steuerstrom I ST n D [µm] 100 bb. 7 (block_u.eps) Potentialverteilung im Thyristor bei Blockierspannung. Die Potentialbarrieren an den nschluß-rändern verhindern den Stromfluß.

5 Simulation: Sperrspannung n,p -3 [cm ] U<0 Sperr-Richtung: Trägerdichten K 0V n(x) p+ p(x) Sperrschicht an der node n(x) Sperrschicht an der Katode stromloser pn-übergang p(x) n- p- n D [µm] 100 bb. 8 (sperr_pn.eps) Löcher- und Elektronendichte im Thyristor bei Sperrspannung. uch um die äußeren pn-übergänge bilden sich Verarmungszonen (Raumladungszonen), die die Sperrspannung aufnehmen können. Psi [V] p+ U>0V n+ Elektronen- Emitter Löcher- Emitt. p Potential im gesperrten Thyristor n große Potentialbarriere für p und n unüberwindbar U=0V U=10V rbeitsblätter Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY D [µm] 100 bb. 9 (sperr_u.eps) Potentialverteilung im Thyristor bei Sperrspannung. Es bilden sich hohe unüberwindliche Potentialbarrieren bei den äußeren pn-übergängen heraus.

6 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -6- Bilanzgleichung, Zündbedingung bb. 10 ibilanz.wpg Wird der Thyristor als zwei ineinander verschachtelte Transistoren mit den Stromverstärkungen = I C /I E aufgefaßt und die Strombilanz im n - -Gebiet aufgestellt, so ergibt sich die Gleichung für die Zündbedingung (1). I npn 1 npn I ST 1 pnp I SP pnp npn (1)zuend.for ufgrund der Stromabhängigkeit der Stromverstärkungen erreicht bei einem gewissen nodenstrom I die Summe npn + pnp den Wert Eins. Dies ist die Zündbedingung für einen Thyristor. Ersatzschaltbild des Thyristors bb. 11 (thy_esb.wpg) Ein Thyristor kann durch zwei BJT modelliert werden, die sich gegenseitig mit Basisstrom versorgen. Die Kondensatoren berücksichtigen die du/dt-zündung.

7 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -7- Stromabhängigkeit der Stromverstärkung npn und pnp 1,4 Stromabhängigkeit der Stromverstärkungen I C /I E 1,2 1,0 NPN + PNP 0,8 NPN 0,6 0,4 PNP 0,2 0,1m 1m 10m 1 I [] bb. 12 (alpha.eps) Durch die Stromabhängigkeit der Stromverstärkungsfaktoren npn sich die Vierschichtstruktur ab einem Zündstrom selbst geöffnet und pnp hält Kennlinien-Feld des Thyristors Thyristor-KL-Feld, statisch R ON Strom [] Durchlaß Zündung U BR Haltestrom I H 0 Sperren U (I ) BL ST U BT0 Nullkipp- Spannung Durchbruch Sperrspannung [V] 0 Blockierspannung [V] bb. 13 (thy_kl.eps) Statisches Thyristor-Kennlinienfeld, Prinzipdarstellung. Rechts: Blockierung, links: Sperrichtung

8 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -8- Zündkennlinie statisch 1000 Thyristor: Statische Zündkennlinie U BL [V] Parameter: Tj [C] bb. 14 (zkl.eps) Statische Zündkennlinie eines Thyristors I ST [m] U BL 1000 [V] Temperaturempfindlichkeit der Kippspannung Parameter: Steuerstrom I ST 150 [m] T [C] J bb. 15 (zkl_t.eps) Temperaturabhängigkeit der statischen Zündkennlinie eines Thyristors. Über etwa 100 C Kristalltemperatur verliert der Thyristor seine Blockkierfähigkeit.

9 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -9- Zündkennlinie dynamisch I [] V ,1 10m Steuerstrom durch Ladungsverschiebung Parameter: du/dt [V/µs] N=10 cm =20 cm bb. 16 1m U [V] thy_1.eps K U BL Verminderung der Blockierspannung durch du/dt 1k 5 7,5 [V] Parameter: du/dt [V/µs] 10 Einfluß bei kleineren U K du/dt-zündung bei U < U BL K U [V] 1k bb. 17 (dudt.eps) Verringerung der Blockierfähigkeit eines Tyristors durch die nstiegsgeschwindigkeit der noden-katoden-spannung du/dt [V/µs] K

10 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -10- Thyristor ein- und ausschalten bb. 18 thy_aus0.eps 100 rel [%] 50 Thyristor: bschalten nach Nulldurchgang U I < 0! p(t) Verlustleistung wegen des Rückstromverhaltens Diffusionsladung ausräumen di/dt=0 u K (t) i (t) Spannungsüberhöhung durch di/dt > t [µs] 140 bb. 19 (thy_aus.wpg) usschaltvorgang am Thyrister bei induktiver Last. di/dt wird durch den Laststromkreis bestimmt.

11 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -11- GTO ein- und ausschalten Einschalten eines Thyristors oder GTO s 1 90% t_d I_a(t) U_ak(t) I_st (max) I_st(t) di/dt Q_st t_r Steuerladung 10% Zeit t [µs] bb. 20 gto_ein0.eps 1 I_a0 20 GTO abschalten 90% I_a(t) I_rgm -10 du_ak/dt begrenzen! di/dt I_rg(t) negativ I_tq 3 Schweifstrom 10% 0 t_d 2,7µs 350ns t_f t_t 4,1µs bb. 21 gto_aus1.eps

12 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -12- Schaltverlustleistung 1,0 [rel.] 0,8 U K (t) I (t) 0,6 P(t) 0,4 0, t [mys] bb. 22 (gto_ein2.eps) Gleichzeitiges uftreten von Strom un Spannung am Schalterbauelement verursacht Schaltverlustleistung 1,0 [rel.] 0,8 0,6 I (t) U K (t) 0,4 P(t) 0,2 0, t [mys] bb. 23 (gto_aus.eps) Besonders der Stromschweif (Tail-Strom) trägt zu einer grossen Schaltverlustleistung bei, weil die volle Spannung schon über dem Bauelement liegt. Der Schweifstrom klingt nur langsam ab -> Rekombination

13 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -13- HL-Schalter im Überblick U2 Uo I2 I2 Id Id U1 Ur Transistor Diode Ub Ub Ub Ub Ia Ia Ia Ia Ur Ur nur Zünden Ist Zünden Ist Thyristor Löschen GTO bb. 24 all_sch.eps

14 Bauelemente und Elektronik: Kombinations-BE (Di.) THY -14- Schaltende Leistungshalbleiter Leistungshalbleiter kommen als Stellelemente in Leistungsendstufen zum Einsatz. Dabei sind grundsätzlich Elemente zu unterscheiden, die auch stetig arbeiten können und solche, die nur schalten können (bb. 24). ußerdem kann man Leistungshalbleiter nach der maximalen rbeitsfrequenz und der maximalen Schalt- bzw. Verlustleitung einteilen. Ein weiterer, wichtiger Punkt ist oft die notwendige nsteuerleistung, die insbesondere bei MOSFET s und beim IGBT auch deutlich von der Frequenz abhängig ist. Bei Bipolartransistoren, Thyristoren usw. ist dagegen immer auch eine statische nsteuerleistung notwendig. Typ rbeitsweise I MX U MX f MX BJT stetig V 100kHz..5MHz MOSFET stetig V 1MHz..50MHz IGBT schaltend 1k 2kV 1MHz..10MHz Thyristor schaltend 10k 10kV 100Hz..10kHz GTO schaltend 10k 10kV 100Hz..10kHz TRIC schaltend 1k 10kV 100Hz..1kHz Bei der Tabelle ist zu beachten, daß es meist keine Typen gibt, die sowohl maximalen Strom, als auch maximale Spannung verarbeiten können. uch sind sehr leistungsstarke Halbleiter häufig nicht die schnellsten ihrer rt. Zudem ist der technische Fortschritt auf diesem Gebiet sehr erheblich. Der MOSFET ist zwar das schnellste Bauelement, er hat aber gerade bei hohen Spannungsfestigkeiten eine hohe Verlustleistung im durchgeschalteten Zustand. Hierin ist gerade der Bipolartransistor optimal. Der IGBT kombiniert praktisch die Vorteile beider Bauelemente. Die beiden Transistortypen haben allerdings den Vorteil, daß auch komplementäre Typen erhältlich sind, wovon insbesondere bei nicht zu großen Leistungen (z.b. <500W) Gebrauch gemacht wird. Literatur dazu: U.Tietze, Ch.Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, Springer Verlag (c) S. Weber,