Vorwort. Uwe Probst. Leistungselektronik für Bachelors. Grundlagen und praktische Anwendungen ISBN:

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Vorwort Uwe Probst

Leistungselektronik für Bachelors Grundlagen und praktische Anwendungen

ISBN: 978-3-446-42734-1

Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42734-1

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

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Vorwort

Seit dem Wintersemester 2010 sind alle Diplom-Studiengänge auf die neuen Bachelor- und Masterprogramme umgestellt. Durch die Neuordnung wurden die Präsenzphasen an den Hochschulen gekürzt und Studierende zu mehr Eigenarbeit veranlasst. Diese Eigenarbeit anhand von Beispielen und überschaubaren Übungsaufgaben zielgerichtet zu strukturieren sowie mit einfach handhabbaren und über das Internet bedienbaren Simulationsprogrammen zu unterstützen, ist ein wesentliches Ziel dieses Buches.

Die Inhalte basieren auf der gleichnamigen Vorlesung „Leistungselektronik“, die ich seit 2002 an der Technischen Hochschule Mittelhessen in dieser Form anbiete. Mathematische Grund- lagen, die für das Verständnis und die Auslegung leistungselektronischer Schaltungen uner- lässlich sind, werden im ersten Kapitel vorgestellt. Ausgehend von einer Darstellung der modernen Halbleiterbauelemente im Kapitel 2 folgt im Kapitel 3 eine umfassende Beschreibung der netzgeführten Stromrichter und ihrer Funktionsweise. Kapitel 4 ist den Gleichstromstel- lern und ihren Steuerverfahren gewidmet, die eine Grundlage der modernen Schaltnetzteile bilden. Im Kapitel 5 werden die Grundschaltungen der Gleichstromsteller zu ein- und drei- phasigen spannungseinprägenden Wechselrichtern und den zugehörigen Steuerverfahren erweitert. Diese sind zentraler Bestandteil der modernen elektrischen Antriebstechnik und fin- den ebenso Anwendung beim Netzanschluss von umweltfreundlichen Solargeneratoren und Windkraftanlagen.

Gegenüber der ersten Auflage wurden auf Anregungen der Leser Hinweise zum Schutz der Leistungsbauelemente in Kapitel 2 aufgenommen. Das fünfte Kapitel wurde um moderne Mo- dulationsverfahren ergänzt.

Neben vielen Beispielen enthält diese Auflage zusätzliche Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungsvorschlägen. Sie sollen die Studierenden bei der intensiven Auseinandersetzung mit dem behandelten Stoff begleiten. Die Zahl der verfügbaren Applets auf der Homepage zu diesem Buch wurde drastisch erweitert, und deckt nahezu alle besprochenen Schaltungen ab.

Diese Java-Applets zeigen – wie bei Simulationsprogrammen üblich – die charakteristischen Zeitverläufe der Zustandsgrößen, die für die Schaltung entscheidend sind. Zusätzlich bieten sie eine animierte Darstellung der jeweils leitenden Schaltungszweige und erleichtern so das Verständnis ihrer Funktionsweise.

Dieses Buch richtet sich an Studierende und Mitarbeiter der Elektrotechnik an Universitä- ten und Fachhochschulen sowie an Ingenieure in der Praxis, die sich einen Einblick in die Wirkungsweise von leistungselektronischen Bauelementen und Schaltungen verschaffen wol- len.

Ich danke meiner Lektorin Frau Mirja Werner für das sorgfältige Korrigieren des Manuskripts sowie allen an dieser Arbeit beteiligten Studenten und Mitarbeitern der Technischen Hoch- schule Mittelhessen. Insbesondere haben Dipl.-Ing. Matthias Loth mit seinem engagierten Einsatz bei der Umsetzung wichtiger Schaltungstopologien in praxisgerechte Laborversuche und Dipl.-Ing. Mark Weber mit der Erstellung der Programm-Bibliothek, die Grundlage aller

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6 Vorwort

Java-Applets ist, viel zu diesem Werk beigetragen. Schließlich gebührt ein besonderer Dank meiner Familie, die die Arbeit immer unterstützt und große Teile der Arbeit korrekturgelesen hat.

Gießen, im September 2011 Uwe Probst

URL der Internetseite mit den Applets zum Buch:

(http://www.Leistungselektronik.de.vu)

URL der Internetseite mit Applets zu Modulationsverfahren und Antrieben:

(http://www.ElektrischeAntriebstechnik.de.vu)

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Leseprobe Uwe Probst

Leistungselektronik für Bachelors Grundlagen und praktische Anwendungen

ISBN: 978-3-446-42734-1

Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42734-1

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

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2 Leistungshalbleiter

2.1 Vergleich von idealen und realen Schaltern

Lernziele

Der Lernende . . .

■ vergleicht die Eigenschaften von idealen und realen Schaltern

■ beschreibt grundlegende Anforderungen an elektronische Schalter der Leistungselektronik Als Schalter in Stromrichtern werden Leistungshalbleiter eingesetzt. Man bezeichnet sie wegen ihrer Wirkung auf den Stromfluss auch als Halbleiterventile oder kurz Ventile. Leistungs- halbleiter sind Dioden und Thyristoren sowie die verschiedenen Bauarten von Transistoren;

sie werden in unterschiedlichen Schaltungstopologien genutzt. Um die Verluste, die bei der Energieumformung entstehen, so gering wie möglich zu halten, werden die Leistungshalblei- ter im Schaltbetrieb eingesetzt.

o h m s c h - i n d u k t i v e L a s t

U d u V

iV i0u 0

i d e a l e r S c h a l t e r S t e u e r k r e i s

Bild 2.1 Tiefsetzsteller mit idealem Schalter und ohmsch-induktiver Last Ein idealer Schalter im Sinne der Leistungselektronik hat die Fähigkeit, Stromfluss nur in einer Richtung zuzulassen; diese Richtung wird durch den Pfeil am Schaltersymbol gekennzeichnet.

Der Stromfluss in umgekehrter Richtung wird gesperrt. Ein Schalter mit diesen Eigenschaften heißt gerichteter Schalter und ist in Bild 2.1 dargestellt. Hier wird eine für leistungselektroni- sche Anwendungen übliche Situation mit ohmsch-induktiver Last wiedergegeben. Der gesam- te Laststrom fließt bei geschlossenem Schalter durch diesen hindurch. Die Diode sperrt. Wird der Schalter geöffnet, erzwingt die Induktivität einen weiteren Stromfluss, der nun über die Diode zustande kommt. Der Schalter ist während dieser Zeit stromlos.

Neben dem eigentlichen Schaltkontakt, der im Last- oder Hauptkreis liegt, besitzt ein steuer- barer elektronischer Schalter – ähnlich wie ein Relais – einen Steuerkreis. Die Schalthandlung (Schalter öffnen, Schalter schließen) wird durch ein Signal im Steuerkreis bewirkt.

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40 2 Leistungshalbleiter

Ein idealer Schalter weist folgende Eigenschaften auf:

a) Schaltergesperrt: Der Stromkreis ist geöffnet; es fließt kein Strom durch den Schalter. Ob- wohl die Sperrspannunguvam Schalter anliegt, wird dennoch keine Leistung umgesetzt.

Die am offenen Kontakt anliegende Spannung positiver oder negativer Polarität kann beliebig groß werden, ohne dass es zum Überschlag kommt.

b) Schalterleitend: Der Stromkreis ist geschlossen. Durch den Schalter fließt im Lastkreis ein Strom, der von der Höhe der Spannung und der im Lastkreis wirksamen Impedanz bestimmt wird. Am geschlossenen Schalter tritt kein Spannungsabfall auf (uv=0). Daher wird auch in diesem Fall im Schalter keine Leistung umgesetzt. Der Stromfluss ist nur in Pfeil- richtung möglich.

c) Die Betätigung des Schalters, also das Ein- bzw. Ausschalten, erfolgt verzögerungsfrei und leistungslos durch entsprechende Steuereingänge im Steuerkreis. Dabei tritt weder mecha- nischer noch elektrischer Schalterverschleiß auf.

d) Die Schaltfrequenz (switching frequency), also die Anzahl der Schaltspiele pro Sekunde, ist beliebig hoch; Verzögerungszeiten und Ladungsspeichereffekte kommen nicht vor.

Das Schaltverhalten eines solchen idealen Schalters ist in Bild 2.2 dargestellt. Der obere Zeit- verlauf zeigt das Signal des Steuerkreises. Es kann die beiden Zustände Ein und Aus annehmen.

Die beiden mittleren Zeitverläufe geben den Stromivdurch und die Spannunguvam Schal- ter wieder. Ist der Schalter geöffnet, so fließt kein Schalterstrom; die Spannung am Schalter ist ungleich null. Wird der Schalter eingeschaltet, so führt er den Laststrom; an einem idealen Schalter tritt im leitenden Zustand kein Spannungsabfall auf.

iv( t )

u v( t )

tt

p v( t )

tt

A u s E i n

S i g n a l z u r S c h a l t e r a n s t e u e r u n g

i0U d

L e i t p h a s e

0

E i n s c h a l t e n A u s s c h a l t e n

Bild 2.2 Zeitverläufe für Schalterstrom, Schalterspannung und Verlustleistung beim idealen Schal- ter; oben: Ein-Aus-Signal für den Schalter, Mitte: Schalterstromiv(t), Schalterspannunguv(t), unten:

Verlustleistung im Schalter

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2.1 Vergleich von idealen und realen Schaltern 41

iv(t) u v(t) tt

p v(t) t

S i g n a l z u r S c h a l t e r a n s t e u e r u n g

U dio

A u s E i n

te i n ta u s

td ( e i n ) td ( a u s )

tc ( e i n ) tc ( a u s )

P vU F

E i n s c h a l t e n A u s s c h a l t e n

Bild 2.3 Zeitverläufe für Schalterstrom, Schalterspannung und Verlustleistung beim realen Schalter;

oben: Ein-Aus-Signal für den Schalter, Mitte: Schalterstromiv(t), Schalterspannunguv(t), unten: Ver- lustleistung im Schalter

Im unteren Bildteil sind die Schalterverlustep_vabgebildet. Beim idealen Schalter treten Strom und Spannung niemals gleichzeitig auf. Daher entstehen weder während der Leitphase noch beim Ein- und Ausschalten Leistungsverluste.

Reale Leistungshalbleiter haben diese idealen Eigenschaften selbstverständlich nicht. Zu- nächst einmal können reale Schalter nicht verzögerungsfrei ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Zwischen dem eigentlichen Signal zur Schalteransteuerung und dem tatsächlichen Beginn des Schaltvorganges liegen die Verzögerungszeitentd(ein)bzw.td(aus). Der Index d steht hier für delay (Verzögerung). Des Weiteren liegt auch an einem leitenden Schalter immer ei- ne Durchlassspannung an; ein gesperrter Schalter führt zudem einen geringen Sperrstrom.

Bild 2.3 zeigt die Einzelheiten. Die dargestellten Zeitverläufe sind vergleichbar mit denen in Bild 2.2.

Wenn das Ein-Signal vorliegt, bleibt der Schalter zunächst noch stromlos. Nach Ablauf der Zeitt_d(ein)steigt der Stromi_vdurch den Schalter langsam an. Während dieser Zeit liegt nach wie vor die SpannungU_dam Schalter. Sie nimmt erst dann deutlich ab, wenn der Schalter den vollen Laststrom führt. Während der Leitphase liegt die Durchlassspannung am Schalter an.

Bei Dioden wird sie mitUFbezeichnet.

Der Ausschaltvorgang geht ebenfalls nicht schlagartig vor sich. Nach Ablauf der Zeitt_d(aus)rea- giert der Schalter auf das Aus-Signal des Steuerkreises; die Schalterspannung steigt allmählich an. Erst danach sinkt auch der Schalterstrom. Während der Sperrphase ist die Spannunguv

des Schalters gleichUd.

Auch hier werden die entstehenden Schalterverluste im unteren Bildteil dargestellt. Im Unter- schied zu Bild 2.2 treten bei realen Schaltern Spannung und Strom und damit Leistungsverlus- te in allen Betriebsbereichen gleichzeitig am Schalter auf. Der Flächeninhalt der schraffierten Dreiecke entspricht den entstehenden Einschalt- bzw. Ausschaltverlusten. Deren Momentan- werte sind deutlich größer als die Durchlassverluste, die während der Leitphase des Schalters anfallen. Auch im ausgeschalteten Zustand fließt bei realen Schaltern immer noch ein geringer

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Sperrstrom. Dieser hat Sperrverluste zur Folge. Sie sind erheblich niedriger als die Durchlass- verluste und werden meistens vernachlässigt.

Insgesamt weisen reale Leistungshalbleiter folgende Eigenschaften auf:

a) Schaltverluste(switching losses): Schaltvorgänge in Halbleitern verlaufen nicht unendlich schnell. Dadurch ist der Wechsel vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand und umgekehrt mit Verzögerungszeiten verbunden. Während dieser Zeiten fließt im Bauele- ment schon (noch) Strom und es liegt noch (schon) Spannung an und bewirkt die Schalt- verluste während des Ein- und Ausschaltvorganges.

b) Durchlassverluste(forward losses): Der Schalter hat einen Durchlasswiderstand, der im leitenden Zustand zu einem SpannungsabfallU_Fund damit zu Durchlassverlusten führt.

c) Sperrverluste(blocking losses): Auch im Sperrzustand fließt beim Anliegen einer Sperrspan- nung ein sog. Sperrstrom, dessen Höhe von der jeweiligen Halbleitertemperatur abhängt.

d) Steuerverluste: Das Ein- bzw. Ausschalten von Halbleiterschaltern ist nicht leistungslos möglich, sondern erfordert eine Ansteuerleistung, deren Höhe vom Typ des Bauelements abhängt.

Die in Stromrichtern tatsächlich verwendeten elektronischen Schalter kommen also den An- forderungen an ideale Schalter zwar teilweise sehr nahe, haben aber unvermeidliche Verluste.

Die durch die Verluste erzeugte Wärme bewirkt einen Temperaturanstieg in den Bauelemen- ten. Übersteigt die Sperrschichttemperatur bei Leistungshalbleitern Temperaturen von 150^◦C, so wird das Bauelement i. Allg. nachhaltig geschädigt. Daher müssen bauelementspezifische Grenzwerte beachtet werden, die im Betrieb keinesfalls überschritten werden dürfen. Die zu- lässigen Daten der Leistungshalbleiter können den Datenblättern der Hersteller entnommen werden.

Leistungshalbleiterweisen eine stark von der Stromrichtung abhängige Leitfähigkeit auf. In Vorwärtsrichtung können sie hohe Ströme bei nur geringem Spannungsabfall führen, wäh- rend sie in Rückwärtsrichtung auch bei hohen Spannungen nur kleine Sperrströme zulas- sen.

Die heutzutage verfügbaren Leistungshalbleiter lassen sich in drei Gruppen einteilen. Dabei werden nach dem Grad der Steuerbarkeit des Bauelements folgende Kategorien unterschie- den:

1. passive Schalter(Dioden): Leit- und Sperrzustand werden vom Leistungskreis gesteuert. Ein separater Steuerkreis existiert nicht.

2. aktive Schalter:

■ einschaltbare Schalter (Thyristoren): Der Thyristor wird durch ein Steuersignal eingeschaltet; der Übergang in den Sperrzustand wird vom Leistungskreis bestimmt. Ein gesteuertes Abschalten ist nicht möglich.

■ ein- und abschaltbare Schalter (verschiedene Arten von Transistoren, GTO, IGCT): Die Leistungshalbleiter werden durch Steuersignale im Steuerkreis ein- und ausgeschaltet.

Ein gesteuertes Abschalten ist jederzeit möglich.

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2.2 Diode 43

2.2 Diode

Lernziele

Der Lernende . . .

■ erläutert den Aufbau und die grundlegende Funktionsweise einer Diode

■ beschreibt ihr Verhalten anhand der Schaltbedingungen sowie ihrer statischen Kennlinien In Bild 2.4 a) ist das Schaltzeichen einer Diode und in b) ihre stationäre Kennlinie gezeigt. Der positive äußere Anschluss wird als Anode (A) und der negative als Kathode (K) bezeichnet.

iD u D

A K iD u D iD u D

S p e r r - b e r e i c h

U F ( T 0 )

U R R M

iD u D

U F ( T 0 )

D iDD u D

a ) b ) c ) d )

rD= D u D/D ED

Bild 2.4 Diode; a) Schaltzeichen, b) reale Kennlinie, c) vereinfachte Kennlinie, d) idealisierte Kennlinie Ist die Diode in Rückwärtsrichtung gepolt (u_D<0), fließt im gesamten Sperrbereich bis zur SpannungU_RRMnur ein vernachlässigbar kleiner Sperrstrom in der Größenordnung von 1 mA.

Übersteigt die angelegte Spannung den Wert vonU_RRM, so steigt der Sperrstrom lawinenartig an. Die Indizes bedeuten Reverse (Rückwärtsrichtung)Repetitive (wiederholt)maximal.

Demnach istU_RRMder maximale Spannungswert, mit dem die Diode in Rückwärtsrichtung periodisch belastet werden darf. Wird dieser Wert dauerhaft überschritten, wird das Bauteil zerstört.

Ist das Anodenpotenzial der Diode höher als das Kathodenpotenzial (u_D>0), fließt auch in Vorwärtsrichtung so lange nur ein kleiner Strom, bis die SchleusenspannungU_F(T0)erreicht ist. Füru_D>U_F(T0)fließt ein großer DurchlassstromI_F. Der Spannungsabfall im Leitzustand ist auch bei großen Strömen relativ gering und liegt bei Siliziumdioden und den in der Leis- tungselektronik auftretenden Strömen in der Größenordnung von 1 V bis 2.5 V.

Trotz der eigentlich kleinen Durchlassspannung können beträchtliche Verlustleistungen entstehen.

Beispiel 2.1 Verlustleistung einer Diode

Ermitteln Sie näherungsweise die Verlustleistung einer Diode wenn sie einen Dauerstrom von 1000 A führt, eine Schleusenspannung von 1.5 V aufweist und der differentielle Wider- stand vernachlässigt wird.

Lösung: Die Durchlassverluste berechnet man als Produkt von Durchlassspannung und Durchlassstrom.

Pv=UF(T0)·IF=1.5 V·1000 A=1500 W

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Mit den gegebenen Werten erhält man eine Verlustleistung von 1500 W, die über einen ge- eigneten Kühler abgegeben werden muss.

■

Wegen des sehr kleinen Leckstromes in Rückwärtsrichtung und der kleinen Durchlassspan- nungU_Fin Vorwärtsrichtung kann die Diode in vielen Fällen durch die vereinfachte Kennlinie in Teilbild c) beschrieben werden. Hierbei wird der Sperrstrom komplett vernachlässigt. Eben- so geht man davon aus, dass ein Stromfluss in Durchlassrichtung erst dann zu Stande kommt, wenn die SpannunguDüber der Diode größer als die FlussspannungUF(T0)wird. Die weitere Kennlinie füruD>UF(T0)wird als linear angenommen. Diesen Teil der Kennlinie kann man als differentiellen WiderstandrDauffassen. Näherungsweise ermittelt man diesen Widerstand über die als konstant angenommene Steigung der Kennlinie

r_D=ΔuD

ΔiD

Die idealisierte Kennlinie nach Teilbild d) vernachlässigt sowohl die Flussspannung einer Di- ode als auch ihren Durchlasswiderstand. Hiernach sperrt die Diode für Spannungen kleiner als null; bei Spannungen größer null fließt ein Laststrom, dessen Größe vom Lastkreis ab- hängt, widerstandsfrei durch die Diode. Die idealisierte Darstellung vereinfacht die Analyse von Schaltungen und wird für alle Bauelemente angegeben. Für die Auslegung von Stromrich- tern kann sie nicht verwendet werden, da hierfür u. a. die Verlustleistung zur Berechnung des Kühlerkörpers zu ermitteln ist.

Üblicherweise reicht die vereinfachte Diodenkennlinie nach Teilbild c) aus. Für diesen Fall zeigt Bild 2.5 das Ersatzschaltbild einer Diode, die durch die SchleusenspannungU_F(T0), den ohmschen Durchlasswiderstandr_Dsowie eine ideale Diode nachgebildet werden kann.

ED

K D K

HD

7 F ( T 0 ) i d e a l e

D i o d e

A

K

A ED K D

r e a l e D i o d e

a ) b )

Bild 2.5 a) Schaltbild und b) Ersatzschaltbild einer Diode

Schaltverhalten der idealen Diode

Zur einfacheren Schaltungsanalyse wird die idealisierte Betrachtung nach Bild 2.4 d) verwendet. Unter dieser Voraussetzung kann die Diode für den Einschaltvorgang näherungsweise als idealer passiver Schalter aufgefasst werden. Passiv in diesem Sinn bedeutet, dass das Ein- und Ausschalten nicht gezielt gesteuert werden kann, sondern aufgrund äußerer Umstände ge- schieht.

Die Diode schaltet ein, wenn die Spannungu_Dgrößer wird als null. Sie schaltet ab, wenn der Stromi_Dkleiner als der Haltestromi_Hwird. Sowohl Ein- als auch Ausschaltbedingung werden ausschließlich über den Lastkreis vorgegeben. Die Schaltbedingungen lauten:

Einschalten: UD>0 (Lastkreis) Ausschalten: iD<iH≈0 (Lastkreis)

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2.2 Diode 45

Schaltverhalten der realen Diode

In Wirklichkeit sind die Verhältnisse beim Ausschalten komplizierter. Während der Leitpha- se kommt es aufgrund der Eigenschaften des PN-Übergangs zu einer Speicherladung im Halbleitermaterial innerhalb des Bauelements. Während des Ausschaltvorganges muss diese Speicherladung aus dem Bauelement ausgeräumt werden, bevor die Diode erneut sperren kann.

Der Zeitverlauf in Bild 2.6 verdeutlicht den Vorgang. Ausgehend von einem positiven Durch- lassstrom nimmt der Diodenstromi_Dzeitlinear ab. Erreicht i_D die Nulllinie, so beginnt die im Bauelement gespeicherte LadungQrrabzufließen. Die abfließende Ladung führt zu der dargestellten Rückstromspitze mit dem Scheitelwert IRM. Nach Ablauf der Rückwärtser- holzeit trr (reverse recovery) ist der Abschaltvorgang beendet. Bei Leistungsdioden kann die Rückstromspitze durchaus bis zu 100 A betragen. Die Rückwärtserholzeit liegt dabei in der Größenordnung von 10 bis 20µs und teilt sich auf in die Zeitspannen ts und tf. Ist tf

klein gegenüberts weist die Diode ein hartes Schaltverhalten auf. In diesem Fall klingt die Rückstromspitze sehr schnell ab und führt bei Stromkreisen mit Induktivitäten zu uner- wünschten Überspannungen, die die Leistungshalbleiter belasten. Dioden, bei denentf in ähnlicher Größenordnung wie t_s liegt, weisen Soft-Recovery-Verhalten auf und bewirken geringere Überspannungen. In jedem Fall muss die Rückstromspitze beim Abschalten der Diode vom einschaltenden Bauelement aufgenommen werden und erhöht dessen Verlustleis- tung [Semikron98].

t

iD( t ) tr r

IR M

Q r r

0 ts tf

Bild 2.6 Abschaltvorgang einer Diode

Praktischer Einsatz von Dioden

Für den Praxiseinsatz sind verschiedene Diodentypen verfügbar:

a) Schottky-Dioden: Diese Dioden nutzen einen Metall-Halbleiterübergang. Sie werden eingesetzt, wenn eine geringe Durchlassspannung von ca. 0.3 V gefordert ist. Solche Dioden sind in der Sperrspannung auf Werte zwischen 50 bis 100 V begrenzt.

b) FRED-Dioden (FastRecoveryEpitaxialDioden): Dioden mit sehr kurzer Rückwärtserhol- zeit (trr<1µs). Sie werden in Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen in Verbindung mit steuerbaren Schaltern eingesetzt.

c) Netzdioden: Die Durchlassspannung dieser Dioden wird auf Kosten einer größeren Rück- wärtserholzeit so klein wie möglich gehalten. Die größere Rückwärtserholzeit stört bei An- wendungen mit Netzfrequenz (50 Hz, 60 Hz) nicht. Diese Dioden sind mit Sperrspannun- gen von einigen kV und Durchlassströmen von einigen kA erhältlich.

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Wichtige Angaben in den Datenblättern sind Werte für

a) URRM: Spitzensperrspannung; höchstzulässiger Augenblickswert der auftretenden periodi- schen Sperrspannung; (Indizes:ReverseRepetitiveMaximal)

b) I_FAVM: maximaler Mittelwert des Stroms in Durchlassrichtung; (Indizes:Forward (in Durch- lassrichtung),Average (Mittelwert),Maximal)

c) I_FRMSM: maximaler Effektivwert des Stroms in Durchlassrichtung; (Indizes:Forward (in Durchlassrichtung),RootMeanSquare (Effektivwert),Maximal)

d) UF(T0): temperaturabhängige Schleusenspannung (Indizes:Forward,(T0)Temperatur)

2.3 Thyristor

Lernziele

Der Lernende . . .

■ erläutert den Aufbau und die grundlegende Funktionsweise eines Thyristors

■ beschreibt sein Verhalten anhand der Schaltbedingungen sowie seiner statischen Kennlini- en

Der Thyristor ist im Prinzip eine Diode, die mit einem zusätzlichen Steueranschluss verse- hen ist. Die Leistungsanschlüsse werden wie bei der Diode mit Anode (A) und Kathode (K) bezeichnet. Über den Steueranschluss Gate (G) kann der Thyristor von einem Steuerkreis mit einem kurzen Stromimpuls eingeschaltet werden. Das Schaltzeichen eines Thyristors sowie seine reale und idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie sind in Bild 2.7 wiedergegeben. Diese Kennlinie besteht aus drei Ästen, die mit „sperren“, „blockieren“ und „leiten“ bezeichnet werden. Ebenso wie bei der Diode kann die reale Kennlinie aus Teilbild b) vereinfacht (Teilbild c)) und idealisiert dargestellt werden (Teilbild d)).

iT u T

A K iT u TS p e r r -

b e r e i c h

U R R M

iT u T

a ) b ) d )

G iG

L e i t - z u s t a n d

B l o c k i e r - b e r e i c h

s p e r r e n b l o c k i e r e n l e i t e n

iG > 0

U D R M

iT u TU T ( T 0 )

D iT

D u T

c )

rT = D u TD iT U B 0

Bild 2.7 Thyristor; a) Schaltzeichen, b) reale Kennlinie, c) vereinfachte Kennlinie, d) idealisierte Kenn- linie

Sperren

Bei Beanspruchung in Rückwärtsrichtung, also für SpannungenuT<0, verhält sich der Thy- ristor wie eine Diode: Solange die Spannung im Sperrzustand unterhalb der Rückwärtssperr-

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2.3 Thyristor 47 spannungU_RRM bleibt, fließt ein vernachlässigbar kleiner Sperrstrom. Übersteigt die Sperr- spannung den Wert vonU_RRM, steigt der Strom lawinenartig an. Der Thyristor bricht durch.

Blockieren

Im Gegensatz zur Diode kann der Thyristor jedoch auch eine in Flussrichtung gepolte Span- nung sperren. Diese Betriebsart wird blockieren genannt. Solange der Thyristor blockiert, fließt auch bei einer SpannunguT>0 in Vorwärtsrichtung nur ein vernachlässigbar kleiner Sperrstrom.

Kontrolliertes Zünden

Aus dem Blockierzustand kann der Thyristor durch einen gewollten Zündimpuls am Gate in den Leitzustand versetzt werden. Dazu muss für kurze Zeit ein positiver Strom in das Gate flie- ßen. Dieser impulsförmige Strom wird als Zündimpuls bezeichnet. Er bewirkt das Einschalten des Thyristors und ermöglicht einen StromflussiTin Durchlassrichtung von der Anode zur Kathode.

Unkontrolliertes Zünden

Unkontrolliertes und damit ungewolltes Zünden kann eintreten, wenn die Blockierspannung den Wert der sog. NullkippspannungU_B0übersteigt. In diesem Fall zündet der Thyristor, ob- wohl kein Zündimpuls vorliegt.

Ändert sich die Spannungu_Tvon negativen zu positiven Werten, spricht man von einer positiven Spannungssteilheit du_T/dt. Einen Thyristor im Blockierbetrieb kann man sich vereinfa- chend als Kondensator vorstellen. Wird ein Kondensator mit einer veränderlichen Spannung beaufschlagt, fließt ein Kondensatorstrom, der umso größer ist, je schneller sich die Spannung verändert. Übersteigt der Strom, der im Thyristor aufgrund einer positiven Spannungssteilheit fließt, einen bestimmten Grenzwert, kann gleichfalls ein unkontrolliertes Zünden auftreten.

Leiten

Wird der Thyristor gezündet, so gilt in Bild 2.7 die Kennlinie für den Leitzustand. Sobald ein StromiTfließt, der größer als der MindeststromiL(Latching current) ist, „rastet“ der Thyris- tor ein – ähnlich einem Schütz mit Selbsthaltung. Ab diesem Zeitpunkt ist kein weiterer Ga- testrom für das Aufrechterhalten des Leitzustandes mehr erforderlich. Die Kennlinie im Leit- zustand entspricht weitgehend der einer Diode. Daher kann der leitende Thyristor gegenüber der Diode durch vergleichbare Ersatzschaltbilder beschrieben werden (Bild 2.5). Typischerwei- se beträgt die Durchlassspannung des Thyristors 1 bis 3 V abhängig von der Sperrfähigkeit des Bauelements.

Abschalten

Ein normaler Thyristor kann nicht über einen negativen Strom am Gate abgeschaltet werden. Stattdessen leitet das Bauelement so lange, bis der Anodenstromi_Tden sog. Haltestrom i_H (Holding current) unterschreitet. Dann schaltet der Thyristor ab und geht in den Sperr- zustand über. Wenn danach bei positiver Spannung der Blockierzustand erreicht ist, kann er

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erneut über das Gate eingeschaltet werden. Dieses Abschaltverhalten bedeutet, dass Thyristo- ren nicht in Schaltungen eingesetzt werden können, bei denen die Schalter zu vorgegebenen Zeiten ausgeschaltet werden müssen. Dagegen können sie bei Schaltungen, die mit Wechsel- spannungen fester Frequenz arbeiten, verwendet werden.

Wichtige Angaben in den Thyristor-Datenblättern sind Werte für

a) U_RRM: Spitzensperrspannung; höchstzulässiger Augenblickswert der auftretenden periodi- schen Sperrspannung

b) I_TAVM: maximal zulässiger Mittelwert des kontinuierlichen Durchlassstromes; bei diesem Wert wird die maximal zulässige Sperrschichttemperatur erreicht

c) ITRMSM: maximal zulässiger Effektivwert des Stroms in Durchlassrichtung d) U_T(T0): temperaturabhängige Schleusenspannung

e) IH: Haltestrom (Holding current) f) IL: Einraststrom (Latching current)

g) (du/dt)_cr: kritische Spannungssteilheit, bei der der Thyristor ungewollt zünden kann Die Bedeutung der Indizes entspricht denen der Diode. Lediglich der IndexFwird durchTfür Thyristor ersetzt.

Der Thyristor schaltet kontrolliert ein, wenn die Spannungu_T größer ist als nullundein kurzer Zündimpuls am Gate gegeben wird. Ein gesteuertes Ausschalten ist nicht möglich.

Der Thyristor schaltet ab, wenn der Stromi_Tden Wert null erreicht. Das Einschalten kann durch den Gatestrom gesteuert werden; der Ausschaltzeitpunkt wird durch den Lastkreis bestimmt. Entsprechende Schaltbedingungen für einen Thyristor lauten:

Einschalten: u_T>0 (Lastkreis) und i_G>0 (Steuerkreis) Ausschalten: iT<iH (Lastkreis)

2.4 Transistoren

Lernziele

Der Lernende . . .

■ erläutert den Aufbau und die grundlegende Funktionsweise der verschiedenen Transistor- typen

■ unterscheidet strom- und spannungsgesteuerte Transistoren

■ beschreibt ihr Verhalten anhand der Schaltbedingungen sowie der statischen Kennlinien

■ kennt unterschiedliche Eigenschaften von MOSFET, Bipolar-Transistor und IGBT

Ein- und Ausschaltzeitpunkte können bei der Diode überhaupt nicht oder nur teilweise (Ein- schaltzeitpunkt beim Thyristor) durch Steuerkreise vorgegeben werden. Transistoren sind dagegen vollsteuerbare Halbleiterschalter. Bei ihnen können sowohl Ein- als auch Ausschalt- zeitpunkt gesteuert werden. Es existieren mehrere unterschiedliche Transistorbauformen, von denen die wichtigsten nachfolgend beschrieben werden.