Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Übungen zur Leistungselektronik 2. Kapitel 1 Funktionsweise des Thyristors

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1 Übungen zur Leistungselektronik 2

2 2 1.1 hyristor einfache Herstellung, benötigt keine feinen Halbleiterstrukturen wurde in den 50er Jahren noch vor dem ransistor eingeführt weit verbreitet in Anwendungen mit niedrigen Schaltfrequenzen Einsatz in Bereichen von sehr hoher Spannung und sehr hohen Strömen, z. B. HGÜ ein einzelner hyristor kann Spannungen bis zu 13 kv sperren er kann Ströme bis 6 ka führen

3 3 Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Sperrspannung über Durchlassstrom:

4 4 Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Schaltleistung über Schaltfrequenz:

5 Aufbau und Funktionsweise Der hyristor ist ein Vierschicht-Element mit folgender Schichtenfolge:

6 Aufbau und Funktionsweise Auf Grund des Halbleiteraufbaus sperrt der hyristor im ungesteuerten Zustand sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung.

7 7 Im gesperrten Zustand verhält sich der hyristor wie eine Leistungsdiode, die Sperrkennlinie gleicht daher der einer Leistungsdiode.

8 Einschaltvorgang

9 9 Vorgänge im hyristor

10 10 Ungewolltes Zünden eines hyristors: a) Überkopfzünden: Überschreiten der Nullkippspannung U B0 bei i G = 0 (Ist im Allgemeinen unzulässig). Erreicht die Spannung u AK den Wert der Nullkippspannung, so wird die Durchbruchspannung der mittleren Sperrschicht überschritten und der hyristor 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: du Übersteigt die Spannungssteilheit AK bei i G = 0 den kritischen Wert des dt krit hyristors, so wirkt der Strom i C wie ein Zündstrom und der hyristor wird leitend. ypischer Wert: du AK dt krit = 1000 V/µs

11 11 Durchlasskennlinie Im leitenden Betrieb besitzt der hyristor die gleichen Eigenschaften wie eine leitende Diode.

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13 Schalteigenschaften Dynamisches Verhalten beim Einschalten

14 Dynamisches Verhalten beim Abschalten

15 Ansteuerung Mit Hilfe einer Steuerspannung zwischen dem Gate und der Kathode des hyristors kann dieser gezündet werden. Die Steuerspannung, welche in Form eines Steueroder Zündimpulses angelegt wird, muss die im Datenblatt des hyristors angegebenen Werte bezüglich der Impulsdauer und Impulshöhe einhalten.

16 Dynamisches Verhalten beim Einschalten a) Dauer: Die minimale Zündimpulsdauer t G muss überschritten werden. Dies muss durch das Gatesteuergerät sichergestellt werden. Der Anodenstrom muss den Einraststrom überschreiten. (i A > I L ) Kann nur durch die Schaltung sichergestellt werden. b) Amplitude: Die Eingangskennlinien unterliegen einer starken Exemplarstreuung. Daher wird vom Hersteller ein oleranzfeld für diese Kennlinien angegeben. Der Zündimpulsgenerator (siehe ) muss nun genau auf dieses Kennlinienfeld abgestimmt werden. Damit die bei der Festlegung der zulässigen Strombelastung mit einbezogene Steuerverlustleistung P G nicht überschritten wird, müssen Zündspannung und Zündstrom unterhalb einer hyperbolischen Grenzlinie P = u i = const. liegen. G GK G Auch die emperaturabhängigkeit der Zündwerte spielt ein wichtige Rolle. Bei zunehmender emperatur reichen kleinere Zündströme aus. Dies hat zur Folge, dass die Zündung bei tiefen emperaturen erschwert wird. Deshalb muss der obere Zündwert für eine sichere Zündung bei der niedrigsten emperatur die auftreten kann, überschritten werden. (Bsp. Bahnanwendung, HGÜ)

17 17 Eingangskennlinienfeld Bereiche: keine Zündung mögliche Zündung sichere Zündung oberer Zündstrom obere Zündspannung unterer Zündstrom untere Zündspannung oberhalb dieser Werte zündet der hyristor sicher. unterhalb dieser Werte zündet der hyristor sicher nicht

18 Dynamisches Verhalten beim Abschalten Einfaches Ersatzschalbild eines Zündimpulsgenerators Die Kennlinie dieses Zündimpulsgenerators bestimmt nun, ob ein sicheres Zünden des hyristors ermöglicht wird.

19 19 Die technische Realisierung einer potenzialfreien Ansteuerschaltung kann wie folgt aussehen: z. B. HGÜ (800 kv) Funktionsweise: 1. hyristor sperrt: 2. Zündimpuls 3. i A > I L : ig = 0, i1= 0, M1 sperrt M1 leitet; i 1 baut sich auf; i stellt sich ein. G M1 sperrt; D z wird leitend; an L h1 liegt negative Spannung; i baut sich ab. 1

20 Verluste und Erwärmung in Halbleiterventilen Verlustleistung in Halbleiterventilen Die auftretenden Verlustleistungen in Halbleiterventilen setzen sich aus folgenden Anteilen zusammen: Sperrverluste P sperr In Rückwärtsrichtung bei nicht leitenden Dioden und hyristoren. Steuerverluste P steuer Werden über den Steueranschluss (Gate bzw. Basis) zugeführt. Schaltverluste P s Ein- und Ausschaltverluste. Durchlassverluste P d Während das Ventil leitet. Blockierverluste P block Bei anliegender Vorwärtsspannung, deren Betrag unterhalb der Durchbruchspannung liegt. Die gesamte Verlustleistung berechnet sich aus der Summe der einzelnen Verlustleistungen. Bei den Anwendungen in Leistungselektronik 2 überwiegen die Durchlassverluste.

21 21 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: W s,on = p(t) dt t on W s,off = p(t) dt t off Die mittlere Schaltverlustleistung ergibt sich somit zu: 1 1 P = P + P = p(t) dt + p(t) dt = f (W + W ) s s,on s,off s s,on s,off t t on Hierbei ist t on die Zeitdauer des Einschaltvorgangs, t off die Zeitdauer des Ausschaltvorgangs, 1 die Periodendauer und fs = die Schaltfrequenz. off

22 22 Berechnung der Durchlassverluste: Bei hyristoren und Dioden kann zur Berechnung der Durchlassverluste die statische Durchlasskennlinie aus Abschnitt herangezogen werden. Die Durchlasskennlinie wurde dort mit der folgenden Gerade angenähert: u = U + i R AK 0 A D Die Leistung berechnet sich als zeitlicher Mittelwert aus dem Produkt der anliegenden Spannung und des fließenden Stroms: P 1 = u(t) i(t)dt Die mittlere Durchlassverlustleistung, welche maßgebend für die thermische Beanspruchung ist, berechnet sich somit zu: 2 ( ) 1 1 P = u(t) i(t)dt = U i (t) + i (t) R dt 0 A A D P = U0 i A(t) dt RD i A(t) dt + I A I 2 Aeff 2 wobei : I I A Aeff = = arithmetischer Mittelwert Effektivwert Die mittlere Durchlassverlustleistung eines hyristors berechnet sich somit aus: 2 = 0 I A + D I Aeff P U R

23 Stromberechnungen Um die mittlere Verlustleistung berechnen zu können, muss der arithmetische Mittelwert und der Effektivwert des Stromes bekannt sein. i(t) Augenblickswert des Stromes i Spezifischer, zeitlicher Verlauf des Stromes i, z. B. sinusförmig. I I eff arithmetischer Mittelwert Effektivwert 1 I= i(t) dt I Aeff 1 = i (t) dt 2 A Linearer zeitlicher Mittelwert (Gleichrichtwert) des Stromes i. Der Gleichrichtwert ist der lineare Mittelwert der Beträge der Augenblickswerte i(t), gebildet über eine Periodendauer. Der Effektivwert stellt den zeitlichen, quadratischen Mittelwert von Wechselgrößen dar.

24 24 Beispiele Zeitlicher Verlauf von i(t) 0 t t : i(t) = ˆi e e t t : i(t) = 0 Arithmetischer Mittelwert t e Effektivwert I= î I î t e eff = t 0 t t ˆ e : i(t) = i t t t : i(t) = 0 e e t e I= î 2 I eff = î 1 3 t e ˆ t 0 t t e : i(t) = i sin π t t t : i(t) = 0 e e 2 t I= î e π I eff = î 1 2 t e

25 hermisches Ersatzschaltbild Elektrisches Strömungsfeld Wärmeströmungsfeld Größe Zeichen Einheit Größe Zeichen Einheit Potential ϕ V emperatur ϑ C Spannung U V emperaturdifferenz ϑ C Strom I A Wärmeleistung P V W U Widerstand R = Ω C Wärmewiderstand R th I W Ws Kapazität C F Wärmekapazität C th C

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27 27 Im thermisch eingeschwungenen Zustand gilt folgender Zusammenhang zwischen den thermischen Größen: R R P =ϑ ϑ thjc Vges J C P =ϑ ϑ thca Vges C A RthCA = RthCK + RthKA Erklärung der auftretenden Größen: PVges R thjc R thck Gesamte Verlustleistung die im Halbleiter entsteht Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper R thka R thca Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Kühlmedium Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlmedium Das Wärmespeichervermögen der Komponenten wird durch die Wärmekapazität C th beschrieben. Dadurch erhält man das Ersatzschaltbild für den Impulsbetrieb.

28 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. Die Kühlleistung P k eines Kühlkörpers berechnet sich wie folgt: Pk =ρ c Q ϑ=ρ c Q RthKA Pvges Hierbei bedeutet: ρ = Dichte Luft: ρ = 1,20 kg / m 3 3 ( ) c = spezifische Wärme Luft: c = 1,00 10 Ws / kg K Q = Kühlstrom Luft: Q = l/s ϑ = emperaturunterschied zwischen Gehäuse und Umgebung Um nun für den entsprechenden Anwendungsfall den richtigen Kühlkörper auswählen zu können, geben die Kühlerhersteller zu jedem Kühlkörper den Wärmeübergangswiderstand R thka an. In dieser Widerstandsangabe ist bereits berücksichtigt, ob es sich um natürliche oder verstärkte Kühlung handelt.