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Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK

Inhaltsverzeichnis

Florian Kurcz

1 1.1.1

Thyristor ............................................................................................................. 3 Schaltszeichen ......................................................................................................................... 3

1.2 1.3

Eingangskennlinie: .............................................................................................................................. 3 Ausgangskennlinie: ............................................................................................................................. 4

2

DIAC ...................................................................................................................... 5

2.1.1 2.1.2 2.1.3

Dotierungsfolge ....................................................................................................................... 5 Schaltsymbol ........................................................................................................................... 5 Kennlinie .................................................................................................................................. 5

3

TRIAC.................................................................................................................... 6

3.1

Aufbau: ..................................................................................................................................................... 7

3.1.1 3.1.2

Prinzip: ..................................................................................................................................... 7 Schaltsymbol: .......................................................................................................................... 7

3.2 3.3

Kennlinie: ................................................................................................................................................ 7 Verwendung: .......................................................................................................................................... 8

4

Leistungs-MOSFET ........................................................................................... 9

4.1

Aufbau.................................................................................................................................................... 10

5

IGBT ................................................................................................................... 10

5.1

Aufbau: .................................................................................................................................................. 11

5.1.1 5.1.2

Ersatzschaltung:..................................................................................................................... 11 Schaltsymbol: ........................................................................................................................ 11

[2]

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Thyristor

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1

Eingangskennlinie:

Thyristor

Der Name Thyristor setzt sich aus Thyratron und Transistor zusammen. Thyratron waren Quecksilber Dampf gefüllte Gleichrichterröhren. Im englischen Sprachraum (SCR = silicon controlled rectifier) Der Thyristor ist ein 4-Schicht Leiter Bauelement, bestehend aus einer Silizium Scheibe, die die Dotierungsfolge PNPN aufweist. A …... Anode A P N P N K K ...… Kathode G …... Gate

G Dadurch entstehen im inneren 3PN Übergänge, von denen der Mittlere umgekehrte Polarität besitzt. Somit sperrt der Thyristor in beiden Richtungen. Liegt an der äußeren P-Schicht eine positive bzw. an der N-Schicht eine negative Spannung, so ist der Thyristor in Vorwärtsrichtung geschaltet. Es sperrt nur der mittlere PN Übergang. Wird nun an die innere P Schicht eine positive Spannung angelegt so wird durch den fließenden Strom die Sperrschicht mit Ladungsträger überflutet. Damit verhält sich dieser Teil des Thyristors wie eine große N-Schicht d.h. der gesamte Thyristor arbeitet wie eine Diode in Durchlassrichtung. Nach dem Zünden des Thyristors kann die Gate-Spannung abgeschaltet werden, da durch den Hauptstrom die Überflutung der Gatezone mit Ladungsträger aufrechterhalten wird. Der Thyristor verlöscht erst wieder, wenn der Hauptstrom 0 wird. Bei negativer Polung sperren die beiden äußeren PN-Übergänge und der Thyristor verhält sich wie eine Diode in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung).

1.1.1

Schaltszeichen

P-Gate-Thyristor

A

N-Gate-Thyristor A

K

Thyristortetrode G1

K A

G

G

K G2

1.2

Eingangskennlinie:

IG [mA] 30 20

Ptot sicher Zünden

10

wahrscheinlich Zünden sicher nicht Zünden UGK [V] 1

2

3

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3

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Thyristor

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Ausgangskennlinie:

Die Eingangskennlinie entspricht einer Diodenkennlinie. Die für das Zünden notwendigen Ströme liegen sehr nahe an der PTot Grenze, daher werden zum Ansteuern nur kurze Stromimpulse verwendet die in den PTot Bereich hineinreichen.

1.3

Ausgangskennlinie: IT Durchlasskennlinie IG3>IG2>IG1>0 IG3

IG2 IG1

IH

UBR

IG=0 UB0

UT

Ohne Gatestrom zündet der Transistor bei UB0 (äußerer PN-Übergang bricht durch.) Man bezeichnet das auch als Zünden über Kopf. Beim einspeisen eines Gatestromes genügen entsprechend kleinere Gate-Spannungen zum Zünden. Nun verhält sich der Thyristor wie eine Diode in Durchlassrichtung, wird allerdings der Strom IH (Haltestrom) unterschritten, so kann die Überflutung der Gatezone nicht mehr aufrecht erhalten werden und der Thyristor verlöscht. Die Ansteuerung des Thyristors erfolgt durch Anlegen einer Zündspannung zum gewünschten Zeitpunkt. D ist eine Schutzdiode für negatives UGK Rv

U~

D

UTh

α .... Zündwinkel γ .... Stromflusswinkel α+γ=180°

UTh

t α

γ

i

t

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4

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DIAC Ausgangskennlinie:

Nach dem Spannungsnulldurchgang beginnt die Spannung am Spannungsnulldurchgang zu steigen, bis der Storm groß genug ist, um den Thyristor zu zünden, danach fließt durch den Thyristor Strom bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang. Während der negativen Halbwelle sperrt der Thyristor, bei der nächsten positiven Halbwelle beginnt der Vorgang neuerlich. Über die Höhe des Widerstandes, kann eingestellt werden, bei welcher Spannung der Thyristor zündet. Je höher der Widerstand ist, desto später zündet der Thyristor, desto kürzer dauert der Stromfluss => Phasenanschnittssteuerung.

Rv

UTh

D

U~ C

Diac (Triggerdiode)

Verwendet man anstatt des Vorwiderstandes einen frequenzabhängigen Spannungsteiler, so erreicht man durch die Phasenverschiebung, dass der Zündwinkel über 90° verschoben werden kann. Durch den eingebauten Diac kann der Zündzeitpunkt des Thyristors stabilisiert werden.

2

DIAC

Diac …. diode for alternating current

2.1.1

Dotierungsfolge P

N

P

2.1.2

Schaltsymbol

2.1.3

Kennlinie i

Durchlasskennlinie Sperrkennlinie

25-20V

U

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TRIAC Ausgangskennlinie:

Bei Stromrichterschaltungen wird aus mehreren Gründen eine galvanische Trennung zwischen Leistungsteil und Ansteuerelektronik gefordert. Zündübertrager:

+UB

Wird der Transistor angesteuert so beginnt durch die Primärwicklung ein Strom zu fließen, dadurch entsteht in der Sekundärwicklung eine Flussänderung und somit wird ein Spannungsimpuls induziert  . 

der den Thyristor zündet:
  ·

Beim Betrieb von Thyristoren sind auf Grund ihrer dynamischen Eigenschaften einige schaltungstechnische Maßnahmen zu beachten. Beim Zünden darf der Strom nicht zu schnell ansteigen, da es sonst zu einer lokalen Überhitzung im Halbleiter kommt. Bei induktiven Lasten wird der Stromanstieg durch den Verbraucher selbst begrenzt. Bei ohmschen Lasten muss zusätzlich eine Drossel vorgesehen werden. Da Induktivitäten hohe Selbstinduktionsspannungen erzeugen, wird zum Thyristor noch ein RC-Glied parallel geschaltet. Dieses bildet mit der Induktivität einen Schwingreis, in dem die Energie langsam abgebaut wird.

L

R

R C  · ·




    ·

2 2


 1 · 

 

   1

Um den Thyristor gegen Stromüberlastung zu schützen sind flinke Sicherungen vorzusehen

3

TRIAC

Triac …. triode for alternating current Thyristoren haben den Nachteil, dass sie nur in eine Richtung leiten, für Wechselstromsteller, die beide Halbwellen schalten sollen müssen daher 2 Thyristoren antiparallel geschalten werden.

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6

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TRIAC

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3.1

G

Aufbau:

Aufbau: A

A

P N P N

N P N P

+

H2

= G

G

H2 N P N P

P N P N

H2

N P N P

=>

H1 N

N K

G

H1

K

G

H1

H1,2 Hauptelektroden Diese Anordnung ist bei beiden Hauptspannungsrichtungen sowohl mit positiver als auch mit negativer Zündspannung an steuerbar. Da der Wirkungsgrad größer ist, wenn Zünd- und Hauptspannung gleiche Richtung haben, sollte dies die bevorzugte Art der Ansteuerung sein.

3.1.1

Prinzip:

RL

3.1.2

Schaltsymbol: H2

G H1

3.2

Kennlinie: iT

uB0

uT

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TRIAC

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3.3

Verwendung:

Verwendung:

Am häufigsten für Wechselstromsteller (Stromrichterschaltungen, die die Amplitude der Spannung ändern können). W1…einphasig W3...dreiphasig • Dimmer • Drehzahlregler für 1Phasenwechselstrommotoren • Sanftanlaufschaltung für Asynchronmotoren (W3) • Der häufigste Wechselstromsteller ist eine Phasenanschnittssteuerung: z.B. Dimmer:

LS

Si N flink

R U~

CS C

L

Ls ………… Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit Ls, Cs …… LC Tiefpass um Störungen zu filtern R, C …….. Schutzbeschaltung für Triac i t α

λ

Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die Schwingungspaketsteuerung. Dabei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet, wodurch keine Schaltflanken auftreten. iT t tein

taus

Tastverhältnis:        

Da der Mittelungszeitraum hier höher ist, als bei der Phasenanschnittssteuerung, ist die Schwingungspaketsteuerung nur für träge System geeignet, z.B. Heizung. Neben Wechselstromsteller werden Triacs auch als Wechselstromschalter verwendet, um herkömmliche mechanische Schaltkontakte (z.B. Relais) zu ersetzen => Halbleiterrelais (Solid State Relais) Halbleiterrelais:

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Leistungs-MOSFET

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Verwendung:

RL +UB

u~

Isolationsspannungen > 2kV Da der Phototriac nur sehr kleine Ströme schalten kann (