close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

8 Thyristor (Silicon Controlled Rectifier (SCR)) - Hochschule Landshut

EinbettenHerunterladen
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8 Thyristor (Silicon Controlled Rectifier (SCR))
8.1 Funktionsprinzip
Der Thyristor ist ein Vierschichtelement mit einer pnpn-Schichtfolge, drei pnÜbergängen J1, J2, J3 und den drei Anschlüssen Anode, Kathode und Gate:
A
IA
UGK
IK
J1
n
UAK G
K
A IA
p
A
IG G
A
J2
p
G
UAK
UAK
G
J3
n
IG
UGK
K
K
IK
K
Die drei pn-Übergänge bilden drei Dioden, die wegen ihrer Wechselwirkung aufgrund
der räumlichen Nähe zwei ineinander verschachtelte Bipolartransistoren bilden.
8.2 Kennlinien und Kenngrößen
8-1
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Wenn eine Spannung UAK  0 zwischen Anode und Kathode angelegt wird, befindet
sich der Thyristor im Sperrbetrieb. Wie bei der Diode fließt nur ein sehr kleiner
Sperrstrom, weil die beiden äußeren pn-Übergänge J1 und J3 in Sperrrichtung gepolt
sind. Wenn die Spannung einen Maximalwert UBR überschreitet, brechen die pnÜbergänge durch und der Strom steigt steil an. Dies führt wegen der hohen
Verlustleistung in der Regel zur Zerstörung und muss vermieden werden.
Wenn eine Spannung UAK  0 zwischen Anode und Kathode angelegt wird, sind
prinzipiell zwei unterschiedliche Betriebsarten möglich, zwischen denen wegen einer
internen Rückkopplung nur ein dynamischer Übergang stattfindet.
Ohne Gatestrom und nach genügend langer Wartezeit (s. unten) befindet sich der
Thyristor im Blockierbetrieb. Die beiden äußeren pn-Übergänge J1 und J3 sind dabei
in Durchlassrichtung gepolt und der mittlere pn-Übergang J2 in Sperrrichtung. Auch
in diesem Fall fließt nur ein kleiner Strom, der sog. Blockierstrom.
Wenn im Blockierbetrieb die Spannung UAK die sog. Nullkippspannung UB0
überschreitet, bricht der mittlere pn-Übergang durch. Die Sperrschicht wird dabei mit
Ladungsträgern überschwemmt, so dass der Thyristor dynamisch in den
Durchlassbetrieb übergeht, in dem der Spannungsabfall nur noch ca. eine
Diodenspannung beträgt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Überkopfzündung des
Thyristors. Die Überkopfzündung muss außer bei speziell dafür ausgelegten
Strukturen vermieden werden, da sie unkontrolliert abläuft und zur Zerstörung des
Thyristors führen kann.
Die Überkopfzündung kann auch bei UAK  UBO auftreten, wenn die Spannung UAK
zu schnell ansteigt. Der Strom CS2dUAK/dt über die Sperrschichtkapazität des
Übergangs J2 hat nämlich eine ähnliche Wirkung wie ein Gatestrom (s. unten).
Deshalb ist im Datenblatt eine kritische Spannungssteilheit dUAK/dt angegeben, die
vom Widerstand RGK und von der Kapazität CGK zwischen Gate und Kathode
abhängt und nicht überschritten werden darf.
Im Blockierbetrieb kann der Thyristor bei UAK  UBO durch einen Gatestromimpuls
kontrolliert gezündet werden. Durch den Gatestrom wird zunächst der npn-Transistor
leitend. Sein um die Stromverstärkung vergrößerter Kollektorstrom bildet den
Basisstrom des pnp-Transistors und macht diesen leitend. Der wieder um die
Stromverstärkung vergrößerte Kollektorstrom des pnp-Transistors verstärkt den
bereits vorhandenen Gatestrom und führt zu einem sich sehr schnell selbst
verstärkenden Prozess, der damit endet, dass die mittleren beiden Schichten mit
Ladungsträgern überschwemmt sind. Der Thyristor verhält sich in diesem sog.
Durchlassbetrieb zwischen Anode und Kathode wie eine pin-Leistungsdiode mit einer
Durchlassspannung UT, die etwa einer Diodenspannung entspricht, und einem
differentiellen Widerstand rT. Der Durchlassbetrieb wird wegen der internen
Rückkopplung auch ohne Gatestrom aufrecht erhalten, wenn der Anodenstrom den
Einraststom IL überschreitet.
Im Durchlassbetrieb darf ein Strommittelwert ITAV bzw. ein Effektivwert ITRMS bzw. ein
Stossstrom ITSM nicht überschritten werden. Auch die maximale Leistung Pmax darf
unter Berücksichtigung der Umgebungs- und Kühlbedingungen (s. Kap. 1) nicht
überschritten werden.
8-2
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Thyristoren sind die Leistungsschalter mit den höchsten Sperrspannungen (über
10kV) und mit den höchsten zulässigen Ströme (über 10kA).
Damit der Thyristor wieder sperrt, muss der Anodenstrom unter den sog. Haltestrom
IH sinken. In der Praxis erfolgt dieses sog. „Löschen“ des Thyristors durch Umpolung
der Betriebswechselspannung oder durch Abkommutierung des Stromes auf einen
anderen Schaltungszweig. Nur spezielle Gate-Turn-Off (GTO)-Thyristoren können
durch einen (großen) negativen Gatestrom ausgeschaltet werden. Man kann sich
einen Thyristor also als einschaltbare Diode vorstellen, wie durch das Schaltsymbol
dargestellt.
Damit der Thyristor sicher zündet, muss der Gatestrom einen Mindestwert IGT
überschreiten. Für ein Thyristorexemplar entspräche diesem Strom eine bestimmte
Steuerspannung. Da die Steuerkennlinien jedoch von Exemplar zu Exemplar
streuen, muss die Steuerschaltung so ausgelegt werden, dass bei dem angegebenen
Mindeststrom auch eine Mindestspannung VGT überschritten wird. Andererseits darf
ein maximaler Gatestrom IGM und eine Verlustleistung PVG im Steuerkreis nicht
überschritten werden. Manchmal ist im Datenblatt eine Spannung VGD angegeben,
unterhalb der sicher keine Zündung erfolgt. Die Sperrspannung an der GateKathoden-Diode darf einen Maximalwert VRG nicht überschreiten.
8-3
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8.3 Schaltverhalten
Einschaltvorgang
Nach dem Zündimpuls vergeht die sog. Zündverzugszeit tgd bis die Spannung UAK
auf 90% ihres Wertes vor der Zündung zurückgeht. Innerhalb der Durchschaltzeit tgr
nimmt die Spannung UAK dann auf 10% ihres Wertes ab. Die Zündzeit tgt ist die
Summe beider Zeiten tgt  tgd  tgr.
Da die Gatekontakte nur einen Bruchteil der Thyristorfläche ausmachen, dauert es
eine gewisse Zeit, bis sich die Zündfront über die gesamte Thyristorfläche
ausgebreitet hat. Der Anodenstrom IA darf deshalb nicht zu schnell ansteigen, da
sonst in den zuerst gezündeten Gebieten die Stromdichte zu hoch wird. Die kritische
Stromsteilheit dIA/dt ist im Datenblatt angegeben und muss durch die äußere
Beschaltung eingehalten werden (s. Kap. 8.4).
Ausschaltvorgang
Nach dem Umpolen der Spannung UAK fließt zunächst ein Ausräumstrom in
Rückwärtsrichtung, weil das Mittelgebiet noch mit Ladungsträgern überschwemmt ist
und die äußeren pn-Übergänge noch keine Sperrspannung aufnehmen können. Erst
wenn genügend Ladungsträger ausgeräumt sind, beginnt der Thyristor
Sperrspannung aufzunehmen und der Ausräumstrom nimmt ab. Nach der Sperrverzögerungszeit trr ist der Rückstrom auf 10% seines Maximalwertes gesunken. Die
insgesamt abgeflossene Ladung ist die Sperrverzögerungsladung Qrr.
Wenn der Thyristor nach der sog. Schonzeit tc wieder in Vorwärtsrichtung blockieren
soll, muss auch der mittlere pn-Übergang wieder sperren. Dazu müssen sämtliche
Ladungsträger aus seinem Bereich verschwunden sein. Dies ist erst in der
wesentlich längeren Freiwerdezeit tq (einige 10s) der Fall.
Für ein sicheres Blockieren muss die Schonzeit tc größer als die Freiwerdezeit tq
sein. Dadurch ist der Thyristor auf Schaltfrequenzen bis max. einige kHz beschränkt.
Typisch ist der Betrieb mit Netzfrequenz von 50/60Hz.
8-4
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8.4 Schutzbeschaltung
Die Einhaltung der kritischen Stromsteilheit kann durch eine in Reihe geschaltete
Induktivität LS gewährleistet werden:
U0  0
LS
Die Induktivität begrenzt die Stromsteilheit auf U0/LS.
Diese Beschaltung kann auch bei MOSFETs und IGBTs angewendet werden, um
den Rückstrom einer Freilaufdiode bei induktiven Lasten zu begrenzen:
LS
RS
Lastinduktivität
D
MOSFET
IGBT
Freilaufdiode
Die Diode D und der Widerstand RS können erforderlich sein, wenn die in LS
gespeicherte Energie beim folgenden Ausschaltvorgang zu groß ist.
Die Einhaltung der kritischen Spannungssteilheit kann durch Parallelschaltung einer
Kapazität CP gewährleistet werden:
RP
L
CP
D
uAK
Im Zusammenspiel mit der Induktivität L im Kreis, die zwar die hohe Spannungssteilheit verursacht, aber auch den Strom begrenzt, begrenzt die Kapazität CP die
Spannungssteilheit und die Spannungsüberhöhung der Spannung uAK. Der
Widerstand RP dämpft die Schwingung zwischen L und CP und begrenzt den
Entladestrom der Kapazität beim Einschalten des Thyristors.
Diese sog. RCD-Beschaltung wird auch bei MOSFETs und IGBTs zur Begrenzung
der Überspannung und zur Verringerung der Schaltverluste beim Ausschalten
verwendet:
RP
L
D
CP
MOSFET
IGBT
8-5
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8.5 Spezielle Thyristoren
8.5.1 Diac
Ein Diac ist ein 5-Schichtelement, das die Funktion von zwei antiparallelen
Thyristoren ohne Gateanschluss hat. Er ist für Überkopfzündung ausgelegt und wird
als Triggerdiode zum Zünden von Triacs oder zur Spannungsbegrenzung verwendet.
Schaltsymbol:
Kennlinie:
ID MT2
UD
MT1
8.5.2 Triac
Ein Triac ist ein 5-Schichtelement, das die Funktion von zwei antiparallelen
Thyristoren mit einem gemeinsamen Gateanschluss hat. Ein Triac kann positive und
negative Spannungen blockieren und durch positive und negative Gatestrompulse
gezündet werden. Die Steuerspannung wird zwischen Gate und MT1 angelegt. Die
Zündempfindlichkeit hängt von der Polarität der Steuerspannung und von der
Polarität der Spannung zwischen MT1 und MT2 ab. Sie ist am größten, wenn
Steuerspannung und UT die gleiche Polarität haben.
Schaltsymbol:
IT
Kennlinie:
MT2
UT
G
MT1
Da Triacs sofort nach dem Nulldurchgang wieder blockieren müssen, ist ihre kritische
Spannungssteilheit dUT/dt und ihre kritische Stromsteilheit dIT/dt relativ begrenzt, so
dass sie nur bei kleinen und mittleren Leistungen (einige kW) eingesetzt werden
können.
8.5.3 Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO)
Schaltsymbol:
Der GTO ist ein Thyristor, der durch einen sehr großen negativen Gatestrom in der
Größenordnung von 20-30% des Anodenstroms abschaltbar ist. Er ist inzwischen
weitgehend durch den IGBT verdrängt worden und wird nur noch bei Spannungen
und Strömen eingesetzt, die der IGBT (noch) nicht erreicht.
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
8-6
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8.6 Anwendungen
8.6.1 Phasenanschnittsteuerung
Für die Helligkeitsregelung von Lampen (Dimmer) oder die Leistungsregelung von
Heizwicklungen wird bei Wechselspannung häufig die sog. Phasenanschnittsteuerung verwendet. Dabei beginnt der Stromfluss durch die Last in der

positiven und negativen Halbwelle jeweils erst zur Zeit
 T nach dem
360
Nulldurchgang. Bei kleinen Leistungen wird dazu ein Triac gezündet, bei großen
Leistungen jeweils einer von zwei antiparallelen Thyristoren.  ist der sog. Zündoder Steuerwinkel. Der Zündpuls kann mit einer analogen Triggerschaltung oder mit
einer integrierten Schaltung erzeugt werden.
Da das Prinzip eine ohmsch-induktive Last voraussetzt, können Lampen mit
elektronischen Vorschaltgeräten damit nicht geregelt werden.
Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls am Triac oder Thyristor hat der
Laststrom damit den folgenden Verlauf:
ûe/RL
iR(t)
T/2+T/360°
0
0
T/360°
T/2
T t
-ûe/RL
IR 
Effektivwert des Laststromes:
uˆe

sin2 
 1

180
2
2  RL
(s. Ingenieurmathematik I, Übungsblatt 13)
Mittelwert des Stromes in einer Halbwelle:
iR 
Vom Lastwiderstand aufgenommene Leistung: P 
8-7
uˆe 1  cos 

RL

2
uˆe
2  RL
sin2  


 1 


2 
 180
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
1
0.8
0.6
P(  )
P0
0.4
0.2
0
50
100
150
.

Verlustleistung im Triac:
PV  UT  iR  rT  IR
200
2

Verlustleistung pro Thyristor bei zwei antipar. Thyristoren: PV  UT  iR  rT  IR
2
2
Maximale Verlustleistung beim Steuerwinkel   0°:
Triac: PV
max
 UT 
2
2  uˆe
uˆ
 rT  e 2
  RL
2  RL
antiparallele Thyristoren: PV
max
 UT 
2
uˆe
uˆ
 rT  e 2
  RL
4  RL
UT und rT sind die Durchlassspannung und der differentielle Widerstand des Triacs
bzw. der Thyristoren.
8-8
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
8.6.2 Steuerbarer Gleichrichter
Der steuerbare Gleichrichter ist eine in der Leistungselektronik häufig verwendete
Schaltung, um eine variable Gleichspannung aus dem Wechselspannungsnetz zu
erzeugen. Als Beispiel für die vielen möglichen Konfigurationen sei hier exemplarisch
die vollgesteuerte B2-Brückenschaltung mit Glättungsdrossel vorgestellt, bei der
gegenüber der Schaltung aus Kap. 4.4.2 die vier Dioden durch Thyristoren ersetzt
werden:
T3
T1
L
uRL(t)
ue(t)
T2
iR(t)
R
uR(t)
T4
Die Glättungsdrossel soll so groß sein, dass sich im eingeschwungenen Zustand ein
gut geglätteter Gleichstrom durch den Lastwiderstand ergibt.
Die Thyristoren T1 und T4 werden in der positiven Halbwelle der Netzspannung und
die Thyristoren T2 und T3 werden in der negativen Halbwelle jeweils zur Zeit

 T nach dem Nulldurchgang gezündet.  ist wieder der Steuerwinkel, der bei
360
dieser Schaltung auf Werte zwischen 0° und 90° eingeschränkt ist.
Im eingeschwungenen Zustand erzwingt die Drossel, dass das gerade
stromführende Thyristorpaar so lange im Durchlassbetrieb bleibt, bis das andere
Thyristorpaar gezündet wird, weil der Haltestrom nicht unterschritten wird. Wenn das
andere Thyristorpaar gezündet wird, kommutiert der Drosselstrom auf dieses Paar.
Dadurch wird beim vorher stromführenden Thyristorpaar der Haltestrom
unterschritten, die Thyristoren werden gelöscht und sperren nach Abklingen ihres
Rückstromes.
Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls an den Thyristoren hat die Spannung
an der Reihenschaltung aus Drossel und Lastwiderstand somit folgenden Verlauf:
ûe
uRL(t)
T/2+T/360°
0
0
T/360°
T/2
T t
Wenn die Drossel ausreichend groß ist, wie oben vorausgesetzt, liegt nur der
Gleichanteil dieser Spannung am Lastwiderstand (RL-Tiefpass!):
UR  uRL 
2

T
T


T
2 360


T
360
2  uˆe
 2 
 t dt 
uˆe  sin
 cos 

 T 
8-9
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Steuerkennlinie:
Damit ist auch der Laststrom nahezu ein Gleichstrom:
IR 
UR 2  uˆe

 cos 
RL   RL
4  uˆe
 cos2 
 2  RL
2
Vom Lastwiderstand aufgenommene Leistung: P  UR  IR 
Verlustleistung pro Thyristor: PV 
1
1
on
 UT  IR   UT  rT  IR   IR
2
2
on
UT ist die Spannung am Thyristor beim Strom IR, UT und rT sind die Durchlassspannung und der differentielle Widerstand des Thyristors. Der Faktor ½ berücksichtigt, dass sich jedes Thyristorpaar nur eine Halbwelle im Durchlassbetrieb
befindet.
Wie beim ungesteuerten Gleichrichter kann man den Fourierkoeffizienten der
Grundwelle von uRL berechnen. Mit der Abschwächung durch den RL-Tiefpass erhält
man daraus die Welligkeit der Spannung am Lastwiderstand. Damit kann man die
Drossel für eine gewünschte Welligkeit dimensionieren.
8-10
tw 07.01.2015 EBE_8.doc
* \\tsclient\D\Vorlesungen\Ebe\Ebe_PSpice\PSpice_Kap_8\B2_ST_L.sch
Date/Time run: 01/08/114 20:13:45
(M) B2_ST_L.dat
Temperature: 27.0
400V
-400V
V(a0)
V(a)
2.0A
SEL>>
0A
IE(T1.Q1)
IE(T2.Q1)
IE(T3.Q1)
IE(T4.Q1)
400V
-400V
20ms
25ms
v(e1,e2)
V(e2,e1)
Date: January 08, 2014
30ms
V(a)
35ms
40ms
Time
Page 1
45ms
50ms
55ms
60ms
Time: 20:14:42
Document
Kategorie
Gesundheitswesen
Seitenansichten
9
Dateigröße
80 KB
Tags
1/--Seiten
melden