Der Thyristor ist eines der wichtigsten Bauelemente der Leistungselektronik. Dieses Halbleiterbauelement ist für den Bau von gesteuerten Stromrichteranlagen unersetzlich. In den Datenblättern der Hersteller findet man eine Vielzahl von Kennwerten und Parametern. Die genaue Definition und praktische Bedeutung dieser Daten findet man selten und sie werden in der einschlägigen Literatur meist nur am Rande behandelt. Das vorliegende Buch stellt alle wichtigen Kennwerte und die praktische Anwendung dieser Daten bei der Dimensionierung einer Thyristoranwendung ausführlich dar. Damit ist diese Arbeit eine Hilfe für die betriebssichere Dimensionierung einer Thyristorschaltung.
Die folgenden Themen werden ausführlich dargestellt:
• Alle wesentlichen Kennwerte in den Herstellerangaben und deren praktische Bedeutung.
• Die dynamischen und statischen Betriebszustände eines Thyristors.
• Das Sperrverhalten und die richtige Thyristorwahl in Hinblick auf die Spannungsbelastungen.
• Das Einschaltverhalten und das sichere Zünden bei allen Betriebszuständen.
• Das Durchlassverhalten mit den dabei wichtigen Grenzwerten.
• Die zeitlichen Vorgänge beim Ausschalten und die TSE Beschaltung.
• Die Verlustleistung im Thyristor bei den verschiedenen Betriebszuständen.
• Die Bedeutung der Stromangaben in den Datenblättern für die Belastbarkeit des Bauteiles.
• Die thermischen Grenzen bei unterschiedlichen Formfaktoren des Betriebsstromes.
• Die Grundlagen der thermischen Dimensionierung eines Halbleiterbauteiles.
• Die Bemessung von Kühlkörpern.
• Berechnung des zulässigen Thyristorstromes bei einer gegebenen Kühlung.
• Der transiente thermische Widerstand.
• Erwärmungsvorgänge bei statischer Belastung sowie bei Impulsstrombelastungen.
• Überstromschutz und die Festlegung einer korrekten Sicherung.
• In einem kompletten Berechnungsbeispiel mit einem typischen, handelsüblichen Thyristor,
werden alle angeführten Berechnungsverfahren praktisch durchgeführt.
Anhand vieler Berechnungsbeispiele und ergänzender Messungen wird das Thema verständlich und für die praktische Anwendung leicht zugänglich.
Zusätzlich findet man eine Zusammenstellung der Kurzzeichen für die Thyristorkennwerte mit den deutschen und englischen Bezeichnungen.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit erläutert die relevanten Datenblattangaben von Thyristoren und deren praktische Anwendung bei der Dimensionierung für Klein- und Mittelleistungen, wobei der Thyristor CS8 als exemplarisches Modell dient. Ziel ist es, dem Anwender ein tieferes Verständnis für die elektrotechnischen Zusammenhänge bei der Auslegung von Thyristorschaltungen zu vermitteln.
- Erklärung und Anwendung von Datenblattkennwerten
- Thermisches Verhalten und Kühlungsdimensionierung
- Verlustleistungsberechnung unter verschiedenen Betriebsbedingungen
- Schutzmaßnahmen und Dimensionierung der Absicherung
- Praktische Berechnungsbeispiele für gesteuerte Gleichrichter
Auszug aus dem Buch
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:
Man unterscheidet folgende Zeiten:
Die Zündverzugszeit tgd: Sie hängt hauptsächlich von der Form des Zündimpulses ab. Um die Zündverzugszeit möglichst 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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Der Thyristor: Einleitung in die Funktionsweise des Thyristors als steuerbarer, netzgeführter Leistungshalbleiter.
2. Die Sperreigenschaften des Thyristors: Analyse des Verhaltens im gesperrten Zustand in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung unter Berücksichtigung der Sperrspannung.
3. Das Einschalten des Thyristors: Detaillierte Betrachtung des Zündverhaltens, der Steuerkennlinien und der Dynamik des Einschaltvorgangs.
4. Die Durchlasseigenschaften: Untersuchung des stationären Durchlassverhaltens, der Kennlinien sowie der kritischen Grenzwerte wie dem Grenzlastintegral.
5. Der Ausschaltvorgang: Beschreibung des Abschaltverhaltens und der auftretenden Effekte wie der Freiwerdezeit und Trägerstaueffekt.
6. Die Verlustleistung: Mathematische Herleitung und Berechnung der verschiedenen Verlustanteile, insbesondere der Durchlassverluste.
7. Thermisches Verhalten: Umfassende Darstellung der Wärmeübertragung, des thermischen Ersatzschaltbildes und der Berechnung von Wärmewiderständen.
8. Überstromschutz: Konzepte für den Schutz von Thyristoren durch geeignete Sicherungsdimensionierung basierend auf Schmelz- und Grenzlastintegralen.
9. Berechnungsbeispiel: Anwendung der erlernten Konzepte auf ein praktisches Szenario eines gesteuerten Gleichrichters.
10. Der Steuersatz: Praktische Umsetzung und Messung eines Steuersatzes mittels integrierter Schaltung.
Schlüsselwörter
Thyristor, Leistungselektronik, Datenblatt, Dimensionierung, Durchlassverluste, Zündverhalten, Wärmewiderstand, Grenzlastintegral, Schutzbeschaltung, Gleichrichter, Sperrspannung, Kühlung, Halbleiter, Steuersatz, Verlustleistung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die systematische Erklärung von Datenblattangaben für Thyristoren und deren Anwendung bei der praktischen Dimensionierung von Schaltungen für Klein- und Mittelleistungen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf den Sperr- und Durchlasseigenschaften, dem thermischen Verhalten, der Verlustleistungsberechnung sowie den Schutzmaßnahmen gegen Überströme.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Vermittlung der notwendigen Berechnungsmodelle, um einen Thyristor unter Berücksichtigung seiner thermischen Belastungsgrenzen sicher und effizient in einer Schaltung zu betreiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine deduktive Herleitung, basierend auf physikalischen Grundgesetzen, die durch Datenblattwerte und praktische Messreihen am Thyristormodell CS8 validiert werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Analyse der verschiedenen Betriebszustände eines Thyristors (Sperren, Einschalten, Durchlass, Ausschalten) und deren thermische Auswirkungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Thyristor, Verlustleistung, thermischer Widerstand, Grenzlastintegral und Dimensionierung.
Wie erfolgt die Dimensionierung des thermischen Schutzes?
Die Dimensionierung stützt sich auf die Berechnung thermischer Ersatzschaltbilder, wobei die Sperrschichttemperatur von 125°C als absolute Grenze dient.
Warum ist die Wahl der richtigen Sicherung entscheidend?
Da Halbleiterschichten sehr temperatursensibel sind, muss die Sicherung mittels ihres Schmelzintegrals gewährleisten, dass sie den Stromkreis schneller unterbricht, als die thermische Zerstörung des Thyristors eintritt.
Welche Bedeutung hat der Formfaktor bei der Berechnung?
Der Formfaktor berücksichtigt den Einfluss der Stromkurvenform auf die Verlustleistung, da unterschiedliche Stromverläufe bei gleichem Mittelwert zu verschiedenen thermischen Belastungen führen.
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- Dipl.-HTL-Ing. Herbert Schwaiger (Author), 2002, Die Kenndaten des Thyristors, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/88211
