E l e k t r o n i k II

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1 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft E l e k t r o n i k II Dr.-Ing. Arno Soennecken EEX European Energy Exchange AG Neumarkt Leipzig Vorlesung Thyristor im SS 2003 Elektronik II Mob.: (+49)173/ Fax: (+49)341/ arno.soennecken@eex.de

2 6. Thyristor Thyristor = Thyratron + Transistor Er besitzt Eigenschaften der eben genannten Bauelemente (Thyratron: steuerbare gasgefüllte Gleichrichterröhre) 6.1 Aufbau & Bezeichnungen Der Thyristor enthält als Halbleiterbauelement generell vier abwechselnde p- und n-dotierte Halbleiterschichten (Ausgangsmaterial: Silizium) Schichtenfolge s Bild: die beiden äußeren Schichten sind hoch dotiert - die beiden inneren weisen eine schwache Dotierung auf Anschlussbezeichnung wie bei Diode: Anschluß an äußerer p-schicht: Anode (A) Anschluß an äußerer n-schicht: Kathode (K) Mittlere p-schicht: Steueranschluß/Tor/Gate (G) a) Zugehöriges Schaltsymbol Folie 2 (SS 2003)

3 Folie 3 (SS 2003)

4 s. auch prinzipieller Aufbau der Thyristortablette 6.2 Wirkungsweise Unterscheidung von zwei Zustandsbereichen bei offenem Steueranschluß: Gesperrter Zustand bei anliegender negativer Spannung (s. Bild 2.3): An den beiden aüßeren pn-übergängen: Abzug beweglicher Ladungsträger trägerverarmte, hochohmige Zonen gesperrt Am mittleren pn-übergang: Anreicherung beweglicher Ladungsträger durchlässig Kennlinie des Thyristors ähnelt der einer Diode in Sperrichtung (U BR : Durchbruchspannung) Folie 4 (SS 2003)

5 Gesperrter Zustand bei anliegender positiver Spannung (s. Bild 2.4): Mittlerer pn-übergang verarmt an beweglichen Ladungsträgern gesperrt An beiden aüßeren pn-übergängen: Anreicherung beweglicher Ladungsträger durchlässig U (B0)0 : Kippspannung bei Steuerstrom Null (Thyristor kippt dabei in den Durchlaßzustand) Thyristorverhalten bei Ansteuerung Durch einen kurzen Stromimpuls (Dauer: im µs-bereich) über die Steuerelektrode (G) kann Thyristor vom gesperrten (zweiter Zustand!) in den durchlässigen Zustand versetzt werden ( kippen ). Folie 5 (SS 2003)

6 Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise kann Thyristor gedanklich in zwei Transistoren zerlegt werden (s. Bild) im Blockierzustand: pn-übergänge S p1 und S p3 in Durchlaßrichtung gesperrt; S p2 nimmt die Spannung in Sperrichtung auf in Transistorschaltung: ohne Steuerspannung ist T 2 gesperrt; ebenfalls T 1, da er über T 2 keinen Basissteuerstrom erhält bei Steuerspannung bzw. strom: Löcherstrom von B 2 nach E 2 bzw. Elektronenstrom von E 2 nach C 2 bzw. B 1 (aufsteuernde, mitkoppelnde Wirkung für T 1),) Folie 6 (SS 2003)

7 A; Löcherstrom von E 1 über B 1 nach C 1 K; aufgrund der Ladungsträgerinjektionen beider hochdotierten Emitterschichten bleibt die Sperrschicht S p2 solange abgebaut, bis ein Mindestwert des Ladestroms - der sog. Haltestrom - unterschritten wird (übliches Verhältnis zwischen Thyristornennstrom zum Haltestrom: 1.000) 6.3 Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors (s. Bild 2.6.) 3. Quadrant: Verhalten in Sperrichtung (keine wesentliche Unterscheidung zur Gleichrichter-Diode) 1. Quadrant: Verhalten in Blockierrichtung (Schaltrichtung) - Bei keinem Zündstrom kippt der Thyristor bei der Nullkippsapnnung in den leitenden Zustand; die Spannung in durchgeschaltetem Zustand ist vom Durchlaßstrom I F abhängig [bei Nennstrom: (1,0-1,5) V)] - Fließt ein Steuerstrom, so kippt der Thyristor bereits vor Erreichen der Nullkippspannung in den leitenden Zustand. Die Kippspannung hängt von der Höhe des Zündstroms ab (s. Bild 2.7.) Folie 7 (SS 2003)

8 Folie 8 (SS 2003)

9 - Im Sperrbereich und im ungezündeten Durchlaßbereich fließt ein kleiner Sperrstrom ( ~ < 30 ma) U T : Schleusenspannung (s.o.) I H : Haltestrom U (B0)0 : Nullkippspannung relevante Größen: z.b. auch höchstzulässige Sperrschichttemperatur, höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung 6.4 Schaltverhalten des Thyristors Ein- und Ausschaltverhalten kann nicht in unendlich kurzer Zeit erfolgen. Ursache: endliche Konzentrationsänderungen der beweglichen Ladungsträger in den Grenzschichten! Folie 9 (SS 2003)

10 s. z.b. typischer Einschaltvorgang in nachfolgendem Bild t gd : Zündverzugszeit usw. Folie 10 (SS 2003)

11 typischer Ausschaltvorgang im nachfolgenden Bild Dieser Vorgang tritt bei Stromrichterschaltungen auf, wenn ein Thyristor von einem anderen den Strom übernimmt (Kommutierung). Bei einer Kommutierung kehrt sich die Spannung zw. Anode und Kathode sehr schnell um (z.b.: von der kleinen Durchlaßspannung ~ 1 V auf einen Wert von V). Der Durchlaßstrom I F klingt ab: er kehrt sich sogar für einige µs um, bis die Ladungsträger aus der Grenzschicht S p2 abtransportiert sind I F null. Die Spannung in Sperrichtung baut sich entsprechend der Sperrverzögerungszeit auf. Abklingvorgang in Verbindung mit Induktivitäten für Thyristoren kritisch (RC-Glieder parallel Thyristor zur Reduzierung der möglichen Überspannungen) t q, t f : Freiwerdezeit - die Zeit, die sich vom Nulldurchgang des Stroms bis zur Aufnahme der Sperrspannung in Durchlaßrichtung ergibt (übliche Werte: µs) Folie 11 (SS 2003)

12 Folie 12 (SS 2003)

13 6.5 Thermisches Verhalten des Thyristors Verluste beim Thyristor: Durchlaßverluste, Sperrverluste, Steuerverluste, Ein- und Ausschaltverluste maßgeblich: Durchlaßverluste bzw. bei höheren Frequenzen die Ein- und Ausschaltverluste Durchlaßverluste lassen sich z.b. aus gegebenem zeitlichen Verlauf des Durchlaßstroms und der Durchlaßkennlinie ermitteln u T(t) = U (T0) + r T i T (t); r T = U T I T zeitlicher Verlauf der Verlustleistung: P T = u T (t) i T (t) = U (T0) i T (t) + r T i T 2 (t) Mittelwert dieser Verlustleistung: P T,AV = 1 T T P T (t) dt = U (T0) 1 0 T T 0 I T i T(t) dt + r 1 T T T i 2 T (t) dt 0 U (T0) U T U T I T Folie 13 (SS 2003)

14 P T,AV = U (T0) I T,AV + r T I 2 T,EFF I T,AV : Mittelwert des Durchlaßstromes I T,EFF : Effektivwert des Durchlaßstromes... = U (T0) I T,AV + r T F 2 I 2 T,AV Thermisches Ersatzschaltbild (ESB) Analogie zw. Wärmekreisen und elektrischen Kreisen Verluste Strom Temperatur elektrisches Potential Temperaturdifferenz Spannung Wärmewiderstand ohmscher Widerstand Wärmekapazität Kondensator Folie 14 (SS 2003)

15 Thermisches ESB im Dauerbetrieb Q w P T R (th),jc ν j - ν a R (th),ca ν c - ν a ν j - ν a = P T ( R (Th),JC + R (Th),CA ) ν j : Sperrschichttemperatur ν a : Umgebungstemperatur ν c : Gehäusetemperatur R (th),jc : innerer Wärmewiderstand R (th),ca : äußerer Wärmewiderstand Übungsaufgabe: a) Welche Durchlaß-Verlustleistung entsteht im Thyristor, aus dessen statischer Durchlaßkennlinie U TO = 1,05 V und r T = 0, Ω entnommen werden können, wenn er eine Sinus-Halbschwingung mit dem Scheitelwert i T = 300 A führt (s.bild)? 300 A π 2π 3π ωt Folie 15 (SS 2003)

16 b) Wie hoch ist die zulässige Umgebungstemperatur, wenn der Thyristor für die in a) genannte 50 Hz-Dauerbelastung die Wärmewiderstände R (th),jc = 0,143 K/W und R (th),ca = 0,6 K/W aufweist und eine max. Sperrschichttemperatur von 115ºC zugelassen ist? c) Wie groß ist in diesem Fall die Gehäusetemperatur? d) Welche Verlustleistung kann zugelassen werden, wenn sich die Umgebungstemperatur auf lediglich 35ºC erhöhen darf? Inwieweit muß der Dauerstrom reduziert werden Lösung: zu a) P T,AV = U (T0) I T,AV + r T I 2 T,EFF I T,AV = 1 T T i T (ωt) dωt = i π T 2π sinωt dωt = i T π 0 0 I T,EFF = T 1 T i 2 T (ωt) dωt = 0 2 π i T 2 sin 2 ωt dωt = i T 2 0 Folie 16 (SS 2003)

17 zu b) P T,AV = U (T0) it 2 π + r T it 4 = 120,5 W ν j - ν a = P T ( R (Th),JC + R (Th),CA ) ν j - ν a = 90K ν a = ν j - 90K = 25ºC zu c) zu d) (ν j - ν a )-(ν c - ν a )= P T,AV R (Th),JC ν j - ν c = P T,AV R (Th),JC ν c = ν j - P T,AV R (Th),JC = (115-0, ,5)ºC = 98ºC P T,AV = ν j - ν a R (Th),JC + R = (Th),CA 0, ,6 W = 108 W P T,AV = U (T0) I T,AV + r T F 2 I 2 T,AV I 2 T,AV + U (T0) r T F 2 I T,AV - P T,AV r T F 2 = 0 Folie 17 (SS 2003)

18 I T,AV = U (T0) 2r T F P T,AV r T F 2 - U (T0) 2r T F 2 = 87 A (95,5 A bei 25ºC) 6.6 Zündgeräte für Anschnittsteuerungen Gleich- und Wechselspannungen können durch Änderung des Zündzeitpunktes nahezu beliebig eingestellt werden Steuergerät liefert Zündspannung bzw. Zündstrom, so daß Zündung zw. 0º und 180º (elektrisch) ermöglicht wird. (Zündung: synchron zum Netz) Horizontal-Steuerung Vertikal-Steuerung Bei Horizontal-Steuerung wird der Zündzeitpunkt nicht durch die (vertikale) Spannungs- bzw. Stromhöhe des Impulses, sondern durch die horizontale Verschiebung nahezu beliebig gegenüber dem natürlichen Kommutierungspunkt festgelegt. (s. Beispiele) Folie 18 (SS 2003)

19 Folie 19 (SS 2003)

20 Folie 20 (SS 2003)