Die Kenndaten des Thyristors

Die Kenndaten des Thyristors

Praktische Anwendung bei der Dimensionierung

Herbert Schwaiger

Vorwort
Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Erklärung der üblichen Datenblattangaben sowie die Dimensionierung von Thyristoren für Klein- und Mittelleistungen anhand dieser Datenblattangaben. Zu diesem Zweck werden exemplarisch die Daten des Thyristors CS8 verwendet. Alle Angaben, Berechnungen und Messungen beziehen sich auf diesen Thyristor. Das Datenblatt findet man im Internet auf der Seite des Herstellers unter www.ixys.com.

In jedem Abschnitt sind praktische Berechnungsbeispiele mit dem Thyristor CS8 vorhanden. Am Schluss wird ein gesamtes, zusammenhängendes Dimensionierungsbeispiel durchgeführt.

Die vorliegende Arbeit setzt vorhandene Grundkenntnisse über die Funktion des Thyristors voraus. Es werden ausschließlich Fragen, die mit der Dimensionierung im weiteren Sinne im Zusammenhang stehen, behandelt. Probleme im Halbleiterbereich stehen nicht zur Diskussion.

Die Abkürzungen für die einzelnen Größen werden in jedem Abschnitt erklärt.
Am Ende der Arbeit befindet sich eine Übersicht über sämtliche verwendete Kurzzeichen
in Deutsch und Englisch.

So weit wie möglich wurden praktische Messungen mit diesem Thyristor durchgeführt. Diese Messungen konnten nicht immer unter den exakt definierten Bedingungen des Herstellers durchgeführt werden. Für die praktische Anwendung dürfte die Aussagekraft trotzdem ausreichend sein.

Innsbruck, im Feber 2008 Herbert Schwaiger

INHALT
1. Der Thyristor 4
2. Die Sperreigenschaften des Thyristors 6
2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung 6
2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung 7
2.3 Die Spannungsbelastung 9
3. Das Einschalten des Thyristors 10
3.1 Die Steuerkennlinie 11
3.2 Der Zündbereich 12
3.3 Der Einschaltvorgang 14
4. Die Durchlasseigenschaften 18
4.1 Die Durchlasskennlinie: 18
4.2 Messung der Durchlasskennlinie 20
4.3 Wichtige Grenzwerte 21
5. Der Ausschaltvorgang 24
5.1 Das Zeitverhalten 24
5.2 Die TSE-Beschaltung 25
6. Die Verlustleistung 26
6.1 Berechnung der mittleren Durchlassverluste 26
6.2 Berechnung der Verlustleistung 28
6.3 Die Grenzwerte der Durchlass Ströme: 29
6.4 Bestimmung des Formfaktors 30
7. Thermisches Verhalten 32
7.1 Arten der Wärmeübertragung 32
7.2 Der thermische Widerstand 33
7.3 Berechnung des zulässigen Durchlass-Stromes 36
7.4 Die Gehäusetemperatur abhängig vom Thyristorstrom 37
7.5 Transienter thermischer Widerstand 38
7.6 Die Belastungsarten 39
7.6.1 Thyristorbelastung bei einer stationären Belastung 39
7.6.2 Erwärmungsvorgang bei einer gleichmäßigen Belastung 39
7.6.3 Praktische Messung der Erwärmungskurve 44
7.6.4. Impulsstrombelastung im Dauerbetrieb 46
7.6.5 Impulsstrombelastung während der Erwärmungsphase 48
7.6.6 Impulsstrombelastung mit Aussetzbetrieb 49
7.7 Mehrere Thyristoren auf einem Kühlkörper 50
8. Überstromschutz 51
9. Berechnungsbeispiel 54
10. Der Steuersatz 57
11. Quellenangaben 59
12. Kurzzeichen 60

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:

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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)

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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 j
Sperrspannung UR

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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 Jmax angegeben. Meistens bieten die Hersteller ihre Thyristortypen selektiert für verschiedene Spannungswerte an.

Datenblattangabe Thyristor CS8:
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2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung
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.

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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 J 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:
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