Die Kenndaten des Thyristors

INHALT

1. Der Thyristor

2. Die Sperreigenschaften des Thyristors
2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung
2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung
2.3 Die Spannungsbelastung

3. Das Einschalten des Thyristors
3.1 Die Steuerkennlinie
3.2 Der Zündbereich
3.3 Der Einschaltvorgang

4. Die Durchlasseigenschaften
4.1 Die Durchlasskennlinie:
4.2 Messung der Durchlasskennlinie
4.3 Wichtige Grenzwerte

5. Der Ausschaltvorgang
5.1 Das Zeitverhalten
5.2 Die TSE-Beschaltung

6. Die Verlustleistung
6.1 Berechnung der mittleren Durchlassverluste
6.2 Berechnung der Verlustleistung
6.3 Die Grenzwerte der Durchlass Ströme:
6.4 Bestimmung des Formfaktors

7. Thermisches Verhalten
7.1 Arten der Wärmeübertragung
7.2 Der thermische Widerstand
7.3 Berechnung des zulässigen Durchlass-Stromes
7.4 Die Gehäusetemperatur abhängig vom Thyristorstrom
7.5 Transienter thermischer Widerstand
7.6 Die Belastungsarten
7.6.1 Thyristorbelastung bei einer stationären Belastung
7.6.2 Erwärmungsvorgang bei einer gleichmäßigen Belastung
7.6.3 Praktische Messung der Erwärmungskurve
7.6.4. Impulsstrombelastung im Dauerbetrieb
7.6.5 Impulsstrombelastung während der Erwärmungsphase
7.6.6 Impulsstrombelastung mit Aussetzbetrieb
7.7 Mehrere Thyristoren auf einem Kühlkörper

8. Überstromschutz

9. Berechnungsbeispiel

10. Der Steuersatz

11. Quellenangaben

12. Kurzzeichen

1. Der Thyristor

Für gesteuerte, netzgeführte Gleichrichter ist der Thyristor derzeit das Mittel der Wahl.

Grundsätzlich hat der Thyristor das Verhalten einer Diode. Der Durchlasszustand wird jedoch durch einen Strom am Gate dem Steueranschluss ausgelöst. Dieser leitende Durchlasszustand bleibt erhalten bis der Strom in Durchlassrichtung den Haltestrom wieder unterschreitet. Ein Thyristor ist also nicht abschaltbar und er wird in der Hauptsache für netzgeführte Stromrichter verwendet.

Werden abschaltbare Leistungshalbleiter benötigt stehen GTOs und vor allem IGBTs zur Verfügung.

Die Thyristorkennlinie:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1. Thyristorkennlinie: Der Durchlassbereich ist in einem anderen Maßstab wie der Sperrbereich dargestellt.

Idealisierte Kennlinie

Der Thyristor durchläuft im Betrieb vier Betriebszustände.

1. Sperrzustand (statischer Dauerzustand)
Der Sperrzustand ist in beiden Spannungsrichtungen möglich
2. Einschalten (dynamischer Kurzzeitvorgang)
3. Durchlass (statischer Dauerzustand)
4. Ausschalten (dynamischer Kurzzeitvorgang)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.2 Die vier Betriebszustände anhand einer idealisierten Kennlinie

Im Folgenden werden diese vier Betriebsfälle eingehend behandelt. Alle Angaben beziehen sich exemplarisch auf den Thyristor CS8.

Hinweis: Das Datenblatt des Thyristors CS8 findet man im Internet unter www.ixys.com.

2. Die Sperreigenschaften des Thyristors

Wenn der Thyristor nicht gezündet ist, dann ist er in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gesperrt.

2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung

Liegt zwischen Anode und Kathode eine gegenüber Kathode negative Spannung UR, dann sperrt der Thyristor. In diesem Betriebszustand fließt nur ein kleiner Sperrstrom IR, der von den folgenden Größen abhängig ist:

Sperrschichttemperatur Jj

Sperrspannung UR

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Man erkennt aus dem obigen Diagramm:

- Übersteigt die anliegende Spannung den Wert der negativen Durchbruchsspannung UBR, dann steigt der Sperrstrom lawinenartig an (Kennlinie 1). In der Folge steigen auch die Sperrverluste dramatisch an und der Thyristor wird thermisch zerstört.
- Eine überhöhte Sperrschichttemperatur führt bereits bei einer relativ geringen Sperrspannung zu einem erheblichen Anstieg des Sperrstromes und damit zur Zerstörung des Thyristors (Kennlinien 2,3).

Da der Wert der negativen Durchbruchspannung UBR keinesfalls erreicht werden darf, wird in den Datenblättern üblicherweise die maximal zulässige periodische, negative Spitzensperrspannung URRM und der dabei auftretende Sperrstrom IRRM bei JJmax angegeben. Meistens bieten die Hersteller ihre Thyristortypen selektiert für verschiedene Spannungswerte an.

Datenblattangabe Thyristor CS8:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Grundsätzlich ergeben sich in Vorwärtsrichtung sehr ähnliche Verhältnisse wie in der Rückwärtsrichtung. Auch hier hat bei gesperrtem Thyristor die anliegende positive Spannung einen stark temperaturabhängigen Sperrstrom zur Folge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beim Überschreiten der positiven Durchbruchsspannung UB0 steigt der Sperrstrom exponentiell an. Wenn der Wert IDkipp bei der Spannung UB0(0)l überschritten wird, zündet der Thyristor auch ohne Zündstrom am Gate.

UB0(0) = Nullkippspannung beim Steuerstrom Null

Im Gegensatz zur Sperrrichtung führt dieser Durchbruch im allgemeinen nicht zur Zerstörung des Thyristors. Allerdings macht diese Betriebsart keinen Sinn, weil man den Zeitpunkt einer Zündung ausschließlich über die Gateansteuerung exakt festlegen will.

Aus den vorstehenden Diagrammen ist zu erkennen, dass auch UB0(0)l stark von der Sperrschichttemperatur JJ abhängig ist. Aus diesem Grunde, muss die anliegende periodische Spitzenspannung in beiden Richtungen deutlich unter der Durchbruchsspannung liegen.

Die entsprechenden Grenz- und Kennwerte sind für beide Sperrrichtungen etwa gleich groß.

Die Werte der maximalen Spannungsbeanspruchung werden für die zulässige Höchsttemperatur der Sperrschicht von 125°C, also für den ungünstigsten Fall, angegeben.

Datenblattangabe Thyristor CS8:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch dynamische Vorgänge im Netz (Laständerungen, Schaltvorgänge, Kommutierungsspitzen, atmosphärische Einflüsse) können unvermeidliche Überspannungen auftreten. Darum muss die Spitzenspannung, welche nominell am Thyristor anliegt, deutlich kleiner als die zulässige, periodische Spitzensperrspannung UDRM sein.

Umax < UDRM, URRM

Man hält meistens einen Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 2,5 ein.

Daher gilt: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Spitzenspannung beträgt: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beispiel:

Bei einer M3- oder B6-Gleichrichterschaltung werden die Thyristoren durch den Scheitelwert der Leiterspannung belastet. Mit einer Netzspannung von 3x400V, ergibt sich bei Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors von 2:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es muss daher ein Thyristortyp mit einer Spannungsbelastbarkeit von 1200 V gewählt werden.

3. Das Einschalten des Thyristors

Ein Thyristor wird mit Hilfe eines Zündimpulses zwischen Gate und Kathode, vom sperrenden in den leitenden Zustand geschaltet. Die Steuerelektrode (Gate) befindet sich an der kathodenseitigen P-Schicht und der Steuerstromkreis wird über die Kathode (N-Schicht) geschlossen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser pn - Übergang wird von der Zündspannung in Durchlassrichtung betrieben. Der Zündimpuls am Gate muss also positiv gegenüber der Kathode sein und soll einen hohen und steilen Verlauf haben. Durch ein zeitliches Verschieben des Zündimpulses, also durch eine Veränderung des Zündwinkels, wird die bekannte Phasenanschnittsteuerung bewirkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Während der Sperrphase sollen Zündimpulse vermieden werden. Die Folge wären zu hohe Sperrverluste, welche den Thyristor thermisch unzulässig beanspruchen. Keinesfalls darf ein Zündimpuls länger als 100 ms sein.

3.1 Die Steuerkennlinie

Ein Thyristor benötigt zum sicheren Zünden eine bestimmte Zündspannung, bei welcher ein Zündstrom fließt, der den Thyristor sicher zündet. Die Steuerkennlinie stellt dieses Zündverhalten dar. Die Zündimpulse müssen zumindest so lange am Thyristor anliegen, bis der Durchlassstrom den Wert des Haltestromes übersteigt.

Datenblattangabe Thyristor CS8

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2 Der Zündbereich

Der Bereich dieser Werte unterliegt starken Exemplarstreuungen, daher wird in der Zündkennlinie ein Bereich für sicheres Zünden angegeben. Dieser Bereich befindet sich zwischen den beiden Kennlinien. Er wird oben und unten von folgenden Kennwerten begrenzt:

Die Untergrenze des sicheren Zündbereiches wird vom oberen Zündstrom und der oberen Zündspannung gebildet:

Der obere Zündstrom IGT ist ein Mindestwert des benötigten Gatestromes bei 25°C, um eine sichere Zündung zu erreichen. Bei kleineren Strömen ist eine Zündung nicht gewährleistet. Er ist sehr temperaturabhängig und steigt bei tiefen Temperaturen an. Bei höheren Temperaturen genügt eine viel kleinere Zündleistung und damit steigt aber auch die Gefahr einer ungewollten Zündung durch Störimpulse.

Die obere Zündspannung UGT ist die höchste benötigte Spannung, um den erforderlichen oberen Zündstrom hervorzurufen.

Die Obergrenze des Zündbereiches wird vom höchstzulässigen Steuerverlust gebildet. Dadurch wird die Zündkennlinie nach oben begrenzt.

Am oberen Rand der Zündkennlinie wird der Bereich des sichern Zündens durch eine Leistungshyperbel begrenzt. Diese Hyperbel gibt die maximale Zündleistung an und darf nicht überschritten werden.

Häufig werden dabei zwei unterschiedliche Werte abhängig von der Dauer des Zündimpulses angegeben.

Maximale Zündleistung mit Dauergleichstrom (z.B. 10 ms)

Maximale Zündleistung bei Kurzimpuls (z.B. 30ms). Diese Zündleistung darf wesentlich größer als bei einem Langimpuls (10 ms) sein.

Um ein sicheres Zünden in jeder Betriebssituation zu gewährleisten, wird das Gate durch einen Stromimpuls gezündet, der viel höher als erforderlich ist (Übersteuerung). Dabei darf jedoch die obere Grenze des Zündbereiches nicht überschritten werden.

Datenblattangabe Thyristor CS8:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die verwendeten Größen:

U GT Obere Zündspannung: auftretende Zündspannung beim oberen Zündstrom.

I GT Oberer Zündstrom: Zündstrom welcher zum sicheren Zünden bei 25°C notwendig ist.

U GD Untere Zündspannung: unter diesem Wert ist ein Zünden trotz JJ = 125°C nicht mehr möglich.

I GD Unterer Zündstrom: unter diesem Wert ist ein Zünden trotz JJ = 125°C nicht mehr möglich.

U RGM Maximale negative Spannung am Gate. Durch geeignete Maßnahmen muss eine eventuell auftretende negative Spannung unterdrückt werden.

P GM Höchstzulässiger Steuerverlust bei einem Zündimpuls in der angegebenen Dauer.

P GAV Die mittlere Zündleistung darf den angegebenen Wert nicht überschreiten. Dieser Wert hängt von der Zündleistung und der Frequenz der Impulse ab. Ein Langimpuls von 1W über 10ms (Halbwelle bei 50Hz) ergibt einen Mittelwert von 0,5W (siehe Zündbereichskennlinie).

3.3 Der Einschaltvorgang

Ab dem Auftreten des Zündimpulses vergeht eine gewisse Zeit, bis der Thyristor durchschaltet. Dieser Zeitraum kann kritisch sein, da während dieser Zeit im Thyristor erhöhte Verluste auftreten. Man ist daher bemüht, durch einen möglichst kurzen Schaltvorgang diese Verluste zu begrenzen.

Der zeitliche Verlauf der Zündung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Man unterscheidet folgende Zeiten:

Die Zündverzugszeit t gd:

Sie hängt hauptsächlich von der Form des Zündimpulses ab. Um die Zündverzugszeit möglich kurz zu halten ist es außerordentlich wichtig mit einem hohen Zündstrom und mit einem sehr steilen Zündstromanstieg zu arbeiten. Die in Datenblättern angegebenen Werte der Zündverzugszeit, gelten bei einem Steuerstrom von annähernd rechteckigem Verlauf, bei einem anzugebenden Zündstrom und einer definierten Anstiegszeit.

Datenblattangabe Thyristor CS8: t gd =< 2ms

bei iGT = 90 mA und diG/dt = 0,09 A/ms

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Datenblattangabe Thyristor CS8:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Durchschaltezeit t gr:

Innerhalb dieser Zeit sinkt die Thyristorspannung von 90% auf 10% ab. Sie hängt hauptsächlich von der Anstiegsgeschwindigkeit des Thyristorstromes ab. Diese Zeit liegt in einer Größenordnung von 2 ms.

Die Zündausbreitungszeit tgs:

Dies ist die restliche Zeit bis der Thyristor die statische Durchlass-Spannung annimmt. Sie entsteht durch die endliche Dauer der Stromausbreitung in der Thyristortablette. Diese Zeit ist hauptsächlich bei großflächigen, also bei Thyristoren für hohe Ströme, von Bedeutung und liegt in einer Größenordnung von 100ms.

Weil diese Zeiten unvermeidliche Streuungen aufweisen, können beim Zünden von Thyristoren in Reihen- oder Parallelschaltung, Probleme auftreten. Bei der Reihenschaltung kann ein Thyristor eine erhöhte Spannungsbelastung und bei der Parallelschaltung eine erhöhte Strombelastung erhalten.

[...]