Die Kenndaten des Thyristors

Praktische Anwendung bei der Dimensionierung

Herbert Schwaiger

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1. Der Thyristor

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

2

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1. Der Thyristor

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

3

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1. Der Thyristor

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:

I T

Durchlassbereich

Übergang

Haltestrom

Sperrbereich

Blockierbereich

Kippspannung

UT

Bild 1.1.

Thyristorkennlinie:

Der Durchlassbereich ist in einem anderen Maßstab wie der Sperrbereich dargestellt.

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1. Der Thyristor

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)

I T

3 Durchlaß (statisch)

2 Einschalten (dynamisch)

Ausschalte 4

n

(dynamisch)

1 Sperren (statisch

UT

1

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

.

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2. Die Sperreigenschaften des Thyristors

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

Bild 2.1.

Sperrstrom abhängig von der Sperrspannung

bei verschiedenen Sperrschichttemperaturen

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).

6

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2. Die Sperreigenschaften des Thyristors

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:

URRM Type

200 V

CS8-02g o2

400

CS8-04g o2

600

CS8-06g o2

800

CS8-08i o2

1000 CS8-10i

o2

1200 CS8-12i

o2

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.

Bild 2.2.

Bild 2.3.

Kippen des Thyristors in den leitenden Zustand

Abhängigkeit der Nullkippspannung

beim Überschreiten der Nullkippspannung UB0(0).

von der Sperrschichttemperatur.

7

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2. Die Sperreigenschaften des Thyristors

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:

Periodische

UDRM, URRM

200 V, 400 V, 600 V

Spitzensperrspannung

800 V, 1000 V; 1200 V

maximale, negative

URSM

300V, 500 V, 700 V,

Stoßspannung

900 V, 1100 V, 1300 V

IRRM, IDRM 3 mA J = 125°C

8

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