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STROMVERSORGUNG
PULSPOWER-ANWENDUNGEN
Gewusst wie
Pulspower-Anwendungen sind durch hohe, kurzzeitige Strompulse bei hohen Betriebsspannungen und
unterschiedlichsten Wiederholraten gekennzeichnet.
Dabei werden die Leistungshalbleiter oft bis an die
physikalischen Grenzen belastet. Sind die kritischen
Parameter nicht richtig dimensioniert, kommt es als
Folge häufig zu Ausfällen – erkennbar mitunter erst
nach längerer Betriebszeit. Werner Bresch von der
GvA berichtet, worauf es ankommt.
der Thyristor und geht in den
Sperrzustand über. Die Kondensatorbatterie regeneriert sich
nun für die nächste Entladung.
Am besten eignen sich hochsperrende ’schnelle‘ Thyristoren.
Hochsperrend, um die Anzahl
der in Serie geschalteten Thyristoren zu optimieren, schnell, um
einerseits den RC-Beschaltungsaufwand auf Grund des TSE-Effektes und andererseits die Limitierung der Wiederholraten auf
Grund langer Freiwerdezeiten
zu minimieren. Grundlegend
und nicht zu beeinflussen ist jeThyristor-Pulsschalter mit 40 kV, 6 kA, tp 200
doch die Begrenzung der maxiµs; Zündung über Fiberoptik
malen Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt auf Werte zwischen
ulspower-Anwendungen ge- 100 bis ca. 300 A/µs.
winnen auch in der Prozesstechnik zunehmend an BeKräftiger Zündimpuls
deutung. Einsatzgebiete sind z. B.
besonders bei
Pulseranwendungen in Beschleunigern oder Hochleistungs-Pulsschalter Serienschaltung wichtig
in der Metallbearbeitung.
Die derzeit am häufigsten eingesetz- Thyristoren haben im Vergleich zu
ten Leistungshalbeiter in Pulspower- GTO, IGCT und IGBT kleine GateAnwendungen sind Thyristoren. Sie Strukturen mit relativ kurzen Gatewerden als Schalter zwischen eine Längen. Deshalb steht unmittelbar
aufgeladene Kondensatorbatterie nach dem Zünden des Thyristors nur
und die Last verschaltet. Die Span- eine kleine gezündete Fläche rund um
nung an der Kondensatorbatterie das Gate für die Stromführung zur
kann sehr hohe Werte erreichen – ei- Verfügung. Wird die Stromdichte wenige 10 kV bzw. 100 kV. In Reihen- gen eines zu steilen Stromanstiegs zu
schaltung betrieben können die Thy- hoch, kann es zu lokalen Überhitzunristoren solche Spannungen halten. gen auf dem Thyristorchip kommen.
Zum Einschalten des Pulsers erhalten Dies führt in aller Regel durch ein
alle Thyristoren gleichzeitig einen Brandloch in Gate-Nähe mittelfristig
Zündimpuls auf das Gate. Die auf der zu Ausfällen.
Kondensatorbatterie gespeicherte Der Stromanstieg ist daher mit einer
Energie entlädt sich dann in Form ei- Drossel auf den im Datenblatt spezifines hohen Strompulses auf die Last. zierten Wert für di/dtcr zu limitieren. Die
Anstieg und Verlauf des Laststromes Zündung des Thyristors sollte mit einem
sowie dessen Pulsbreite sind von der sehr kräftigen Zündimpuls (einige AmArt der Belastung abhängig. Wird pere, Begrenzung siehe zulässige Zündder Laststrom durch den Thyristor am verlustleitung Pg in Funktion der ZündEnde der Entladung zu Null, erlischt impulsdauer) erfolgen. Diese Forde-
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rung ist besonders beim Verschalten
von Thyristoren in Serie wichtig.
Weiterhin empfiehlt sich die Installation einer Notzündeinrichtung mit so
genannten Kippdioden. Im Prinzip
kleine Thyristoren, die zwischen Anode und Gate der in Serie geschalteten
Thyristoren sitzen, zünden diese
durch Überschreiten der zulässigen
Vorwärtssperrspannung. Sie verhindern Thyristorausfälle – d.h. hier Spannungsausfälle – auf Grund fehlerhafter Zündung einzelner Thyristoren.
Die Anzahl der in Serie geschalteten
Thyristoren wird bestimmt durch die
Spannung der Kondensatorbatterie.
Die dann zu installierende Sperrspannung Vdrm bzw. Vrrm sollte das 2fache
der Spannung an der Kondensatorbatterie betragen. Dies bringt ausreichende Spannungssicherheit und Redundanz bei Ausfall eines Thyristors.
Ein ausgefallener Thyristor zeigt sich
in aller Regel als kurzgeschlossenes
Bauelement in der Reihenschaltung.
Dies ist unkritisch, solange genügend
Redundanz vorgesehen ist. In hochwertigen Anlagen ist daher eine Statusrückmeldung zur Betriebsfähigkeit
der Thyristoren sinnvoll.
Statische und dynamische
Spannungsaufteilung
notwendig
Damit Spannungs-Ausfälle der vorgenannten Art erst gar nicht eintreten, erhält jeder Thyristor in der Serienschaltung eine Beschaltung zur
statischen und dynamischen Spannungsaufteilung. Die statische Beschaltung ist ein Widerstand parallel
zu jedem Thyristor. Über ihn soll ein
Strom fließen, der 3 – 5mal höher ist
als der Sperrstrom Idrm, Irrm des Thyristors bei einer Sperrschichttemperatur von 125°C. Diese Maßnahme
erzwingt eine gleichmäßige Sperrspannungsaufteilung innerhalb der
Serienschaltung.
Die in den Widerständen umgesetzte Leistung kann je nach Thyristorgröße recht beachtliche Werte annehmen. Da der Sperrstrom durch
den Thyristor stark von der auftretenden Sperrschichttemperatur abhängt, ist es zur Auslegung des Widerstands sinnvoll, die tatsächlich in
der Anwendung entstehende Sperrschichttemperatur und den dazu relevanten Sperrstrom zu ermitteln.
Werner Bresch ist geschäftsführender Gesellschafter der GvA Leistungselektronik GmbH
in Mannheim.
iee 46. Jahrgang 2001, Nr. 7
STROMVERSORGUNG
den Durchlassspannungsabfall Vt in fallen extrem teure Netzteile mit entAbhängigkeit der Sperrverzugsla- sprechender Isolations- und Teilentladung zeigen. Je höher der Durchlass- dungsfestigkeit zur Versorgung der
spannungsabfall, umso kleiner ist die Zündeinheiten. Diese Zündeinheiten
Sperrverzugsladung Qrr und damit die können dann über eine Fiberoptik,
Freiwerdezeit tq des Thyristors bei welche gleichzeitig die Steuerung von
der Lastseite isoliert, angesteuert wergleichen Bedingungen.
Die Freiwerdezeit tq bestimmt letzt- den.
endlich, mit welcher Periodizität der
Pulsschalter betrieben werden darf. Welche Leistungshalbleiter
Die einzuhaltende Schonzeit ts zwi- sind geeignet?
schen dem Setzen zweier Pulse muss 3
bis 5 mal länger sein als die vorhin er- Der IGCT ist ein neuer Leistungshalbwähnte Freiwerdezeit tq. Sie kann bei leiter für Pulspower Anwendungen.
schnellen, hochsperrenden Thyristo- Es handelt sich um einen weiter entwiren leicht in den Millisekunden- ckelten GTO. In den Pulspower-AnThyristor Reihenschaltung mit statibereich gehen. Wird der Thyristor wendungen wird der IGCT durch ein
scher und dynamischer Beschaltung
während dieser Schonzeit ts mit einer gänzlich anderes Betriebsverhalten
und Notzündung
positiven Sperrspannung beDies führt in aller Regel zu deutlich aufschlagt, schaltet er ohne
kleineren Baugrößen für die Wider- Zündung über das Gate ein.
Ausfälle auf Grund Nichteinstände und kleineren Kühlern.
haltung der erforderlichen
Mindestschonzeit zeigen sich
Schaltverhalten optimierbar
in aller Regel durch einen
Ähnliches gilt für die dynamische Be- Brandkanal zwischen Gate und
schaltung. Hierbei handelt es sich Passivierungs- bzw. Randum einen Widerstand in Reihen- bereich des Thyristorchips.
schaltung mit einem Kondensator, Bei räumlich großen Aufbaudas Ganze parallel zu jedem Thyris- ten der Thyristor-Reihenschaltor der Serienschaltung geschaltet. tung kann es zu SpannungsDer Kondensator muss in der Lage fehlaufteilungen auf Grund
sein, die in der Rückstromspitze Irr parasitärer
Erdkapazitäten Strom- und Spannungsverlauf zur Definition der
enthaltene Energie Qrr aufzuneh- kommen. Ein größerer Ab- Freiwerdezeit t
q
men, um die beim Erlöschen des Thy- stand zu Erdpotenzial-führenristors entstehende Überspannungs- den Teilen oder eine zusätzliche Kon- neue Einsatzgebiete erschließen. Seispitze, welche auf Werte unterhalb densatorbeschaltung kann hier helfen. ne weit verzweigten, feinen Gateder maximal zulässigen Sperrspan- Besondere Aufmerksamkeit verdient Strukturen ermöglichen sehr hohe
nung Vdrm, Vrrm zu begrenzen. Auch auch der mechanische Aufbau. Be- Stromänderungsgeschwindigkeiten
hier ist eine Optimierung der Be- triebsspannung von nicht selten eini- von mehr als 10.000 A/µs. Die von Thyschaltungswerte möglich, weil die gen 10.000 V verlangen nach geeig- ristoren bekannten Freiwerde- bzw.
Rückstromspitze (und damit Qrr) ne- neten Isolationsmaterialien, außer- Schonzeitlimitierungen sind für die
ben der Ausschaltstrom-Steilheit dem nach Einhaltung der erforderli- Auslegung nicht relevant, da es sich
ganz wesentlich von der aktuellen chen Kriech- und Luftstrecken. Poten- um ein abschaltbares Bauelement
Sperrschichttemperatur abhängt.
zial-führende metallische Teile sollten handelt.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, keine scharfen Kanten aufweisen und Wie der IGCT ist auch der IGBT ein abdas Schaltverhalten prozesstechnisch müssen gegebenenfalls mit Kalotten schaltbares Bauelement mit sehr feibei der Herstellung der Thyristoren zu geschirmt werden.
nen und weit verzweigten Gate-Strukoptimieren. Das Ergebnis lässt sich Die zur Zündung der Thyristoren er- turen. Allerdings sind die Laststromherstellerseitig in so genannten Pro- forderliche Energie sollte dem Last- pulse durch das Entsättigungsverhalzesskurven dokumentieren, welche kreis entnommen werden. Damit ent- ten des IGBT auf Amplituden begrenzt,
deren Maximalwert in der
Regel bei ca. dem 2fachen
IGCT mit opdes IGBT-Typenstromes lietischer Angen. Liegt der Wert innerhalb
steuerung
der zulässigen RBSOA-Werte,
und Statuslässt sich der IGBT im Gegenrückmeldung
satz zum IGCT aktiv abschalten, während er noch Strom
führt. Dies eröffnet die Möglichkeit einer Pulsformung.
IGBT mit optischer
Ansteuerung und
Statusrückmeldung
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Pulsschalter
ParameterDimensionierung
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