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Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow

Übungen Leistungselektronik 2 Umdruck 1

Blatt 1

Übungen Leistungselektronik 2

Inhalt der Übungen:

1. Funktionsweise des Thyristors

2. Der Kommutierungsvorgang in fremdgeführten Stromrichteranordnungen

3. Resonant schaltentlastende (Gleich)-Spannungswandler

4. Der Dreipunkt Wechselrichter (NPC)

Aufgaben zum Stoff der Vorlesung und der Übungen.


Blatt 2

Umdruck 1: Funktionsweise des Thyristors

1.1 Thyristor

Der Thyristor war lange Zeit das vorherrschende Schaltelement in der Leistungselektronik.

Auf Grund seiner einfachen Herstellung, er benötigt keine feinen Halbleiterstrukturen, wurde

er in den 50er Jahren, noch vor dem Transistor eingeführt. Weit verbreitet ist der Thyristor in

Anwendungen mit niedrigen Schaltfrequenzen, z. B.: als gesteuerter Eingangsgleichrichter

bei einer Netzfrequenz von 50 Hz. In Bereichen sehr hoher Spannungen und Ströme, die von

anderen Bauelementen noch nicht erreicht werden, findet sich ein weiterer Einsatzbereich

des Thyristors (Bsp.: HGÜ). Ein einziger Thyristor kann Spannungen bis zu 13 kV sperren

und Ströme bis 6 kA führen.

Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Sperrspannung über Durchlassstrom:

Bild 1-1.1


Blatt 3

Arbeitsbereiche leistungselektronischer Bauteile mit Schaltleistung über Schaltfrequenz:

Bild 2-1.1

1.1.1 Aufbau und Funktionsweise

Der Thyristor ist ein Vierschicht-Element mit folgender Schichtenfolge:

Bild 3-1.1


Blatt 4

1.1.1.1 Ungesteuerter Betrieb

Auf Grund des Halbleiteraufbaus sperrt der Thyristor im ungesteuerten Zustand sowohl in

Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung.

Bild 4-1.1


Blatt 5

Im gesperrten Zustand verhält sich der Thyristor wie eine Leistungsdiode, die Sperrkennlinie

gleicht daher der einer Leistungsdiode.

Bild 5-1.1

1. Sperrkennlinie: UBR Durchbruchspannung

(uAK < 0) URRM höchstzulässige periodische Spitzensperr-

spannung in Rückwärtsrichtung

IR Sperrstrom

2. Blockierkennlinie: UDRM höchstzulässige periodische Spitzensperr-

(uAK > 0, nicht gezündet) spannung in Vorwärtsrichtung

UB0 Nullkippspannung


Blatt 6

1.1.1.2 Einschaltvorgang

Der Thyristor „zündet“, wenn die Spannung uAK > 0 ist und am Gateanschluss ein Steuer-

impuls genügender Amplitude und Dauer anliegt. Die bis dahin sperrende Raumladungszone

des mittleren PN-Übergangs wird dann durch Mitkopplungseffekte von Ladungsträgern über-

schwemmt und der Thyristor geht in den leitenden Zustand über. Dieser Zusammenhang

wird am besten durch ein Ersatzschaltbild mit 2 Transistoren verdeutlicht:

Bild 6-1.1


Blatt 7

Vorgänge im Thyristor:

Bild 7-1.1

Ungewolltes Zünden eines Thyristors:

a) Überkopfzünden:

Überschreiten der Nullkippspannung UB0 bei iG = 0 (Ist im Allgemeinen unzulässig).

Erreicht die Spannung uAK den Wert der Nullkippspannung, so wird die Durchbruch-

spannung der mittleren Sperrschicht überschritten und der Thyristor beginnt zu leiten.

Dieser Vorgang ist sehr kritisch, da in Folge von Unebenheiten (Inhomogenitäten) im

Halbleiter zunächst ein enger Kanal zuerst leitet. Der Kanal muss dann während des

Einschaltens die gesamte Verlustenergie aufnehmen.

b) Kritische Spannungssteilheit:

Übersteigt die Spannungssteilheit AK

krit

du

dt bei iG = 0 den kritischen Wert des Thyristors,

so wirkt der Strom iC wie ein Zündstrom und der Thyristor wird leitend.

Typischer Wert: AK

krit

du

dt= 1000 V/µs


Blatt 8

Durchlasskennlinie:

Im leitenden Betrieb besitzt der Thyristor die gleichen Eigenschaften wie eine leitende Diode.

Bild 8-1.1

Ersatzschaltbild des realen Thyristors:

Bild 9-1.1


Blatt 9

1.1.2 Schalteigenschaften:

1.1.2.1 Dynamisches Verhalten beim Einschalten:

Beispielhaft sei die Schaltung in Bild 10-1.1 angenommen. In Bild 11-1.1 sind die Verläufe

der Spannung uAK und des Stromes iA während des Einschaltvorgangs zu sehen.

Bild 10-1.1 Bild 11-1.1

Ausgangszustand: Ai 0= ; Der Thyristor sei für t < t0 stromlos.

t = t0 : Thyristor erhält einen Gateimpuls.

tgd Zündverzögerungszeit (abhängig von der Höhe und der Steilheit des Zündimpulses)

Vom Beginn des Steuerimpulses bis AK 0u 0,9 u↓ = ⋅ ; In der Basiszone ist eine Min-

destladung erforderlich, bis der Thyristor in einem engen Kanal durchbricht.

tgr Durchschaltzeit (abhängig von der Steilheit des Laststroms)

Von AK 0u 0,9 u= ⋅ bis AK 0u 0,1 u= ⋅ ; Zeit bis sich leitfähige Kanäle ausbilden und uAK

abgefallen ist.

tgs Zündausbreitungszeit (abhängig vom Durchmesser der Halbleiterscheibe)

Typ. Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit gs

mmv 0,1

µs=

Bsp.: gs56 mm t 560 s∅ = → = μ

Zeit, bis die gesamte Halbleiterscheibe leitfähig geworden ist.


Blatt 10

1.1.2.2 Dynamisches Verhalten beim Abschalten:

Thyristoren gehen in den sperrenden Zustand über, wenn der Anodenstrom unter den Hal-

testrom IH gesunken ist. Anhand der in Bild 12-1.1 gezeichneten Schaltung soll nun der Aus-

schaltvorgang näher betrachtet werden. Die Verläufe der Spannungen und Ströme sind in

Bild 13-1.1 zu sehen.

Bild 12-1.1 Bild 13-1.1

Zeitpunkt t = t0: Schalter S1 wird von Stellung 1 in Stellung 2 geschaltet.

trr Sperrverzögerungszeit: In den beiden mittleren Schichten befinden sich noch

Ladungsträger, welche durch langsame Rekombination abgebaut werden müssen.

Beim Aufschalten einer Spannung in Sperrrichtung fließt kurzzeitig ein Strom in Rück-

wärtsrichtung (Rückstrom). Dieser Strom ruft beim Abklingen an den stets vorhande-

nen Induktivitäten eine Überspannung hervor. Diesen Vorgang nennt man Träger-

speichereffekt (TSE). Durch eine geeignete TSE-Schutzbeschaltung kann diese

Überspannung am Thyristor auf zulässige Werte begrenzt werden.

tq Freiwerdezeit (Bauteileigenschaft): Zeitdauer, die nach dem Zeitpunkt, bei dem der

Anodenstrom null wird erforderlich ist, bis das Ventil frei von Ladungsträgern ist und

seine volle Steuer- und Sperrfähigkeit wiedererlangt.


Blatt 11

tc Schonzeit (Schaltungseigenschaft): Zeitdauer von dem Zeitpunkt wenn der Anoden-

strom zu null wird, bis zu dem Zeitpunkt an dem das Ventil wieder positive Sperrspan-

nung erhält.

Durch die Schaltung muss immer sichergestellt sein, dass gilt: tc > tq

1.1.3 Ansteuerung

Mit Hilfe einer Steuerspannung zwischen dem Gate und der Kathode des Thyristors kann

dieser gezündet werden. Die Steuerspannung, welche in Form eines Steuer- oder Zündim-

pulses angelegt wird, muss die im Datenblatt des Thyristors angegebenen Werte bezüglich

der Impulsdauer und Impulshöhe einhalten.

1.1.3.1 Bemessung der Zündimpulse:

a) Dauer: Die minimale Zündimpulsdauer tG muss überschritten werden.

Dies muss durch das Gatesteuergerät sichergestellt werden.

Der Anodenstrom muss den Einraststrom überschreiten. (iA > IL)

Kann nur durch die Schaltung sichergestellt werden.

b) Amplitude: Die Eingangskennlinien unterliegen einer starken Exemplarstreuung.

Daher wird vom Hersteller ein Toleranzfeld für diese Kennlinien angege-

ben.

Der Zündimpulsgenerator (siehe 1.1.3.2) muss nun genau auf dieses Kennlinienfeld abge-

stimmt werden.

Damit die bei der Festlegung der zulässigen Strombelastung mit einbezogene Steuerverlust-

leistung PG nicht überschritten wird, müssen Zündspannung und Zündstrom unterhalb einer

hyperbolischen Grenzlinie = ⋅ =G GK GP u i const. liegen.

Auch die Temperaturabhängigkeit der Zündwerte spielt ein wichtige Rolle. Bei zunehmender

Temperatur reichen kleinere Zündströme aus. Dies hat zur Folge, dass die Zündung bei tie-

fen Temperaturen erschwert wird. Deshalb muss der obere Zündwert für eine sichere Zün-

dung bei der niedrigsten Temperatur die auftreten kann, überschritten werden. (Bsp. Bahn-

anwendung, HGÜ)


Blatt 12

Eingangskennlinienfeld:

Bild 14-1.1

oberer Zündstrom

obere Zündspannung

oberhalb dieser Werte zündet der

Thyristor sicher.

unterer Zündstrom

untere Zündspannung

unterhalb dieser Werte zündet der

Thyristor sicher nicht

Bereiche: 1 keine Zündung

2 mögliche Zündung

3 sichere Zündung


Blatt 13

1.1.3.2 Zündimpulsgenerator:

Bild 15-1.1 zeigt ein einfaches Ersatzschaltbild eines Zündimpulsgenerators:

Bild 15-1.1

Die Kennlinie dieses Zündimpulsgenerators bestimmt nun, ob ein sicheres Zünden des Thy-

ristors ermöglicht wird.

Die technische Realisierung einer potenzialfreien Ansteuerschaltung kann wie folgt aus-

sehen:

Bild 16-1.1

Funktionsweise:

1. Thyristor sperrt: iG=0, i1=0; M1 sperrt.

2. Zündimpuls: M1 leitet; i1 baut sich auf; iG stellt sich ein.

3. iA > IL: M1 sperrt; Dz wird leitend; an Lh1 liegt

negative Spannung; i1 baut sich ab.

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Blatt 14

1.1.4 Zusammenfassung der Eigenschaften von Thyristoren:

1 Thyristoren können nur in eine Richtung Strom führen (iA ≥ 0).

2 Der Thyristor kann sowohl positive als auch negative Spannungen uAK sperren, da-

bei fließt nur ein praktisch meist zu vernachlässigender Sperrstrom.

3 Thyristoren können durch einen Zündimpuls an der Steuerelektrode, dem Gate,

vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden.

4 Der Thyristor bleibt auch ohne Zündimpuls eingeschaltet. Dabei muss aber der

Anodenstrom einmalig größer als ein bauteilspezifischer Einraststrom sein und an-

schließend größer als der Haltestrom bleiben.

5 Im eingeschalteten Zustand ist die Spannung uAK sehr klein.

6 Der Thyristor kann über den Steueranschluss nicht mehr in den sperrenden Zu-

stand versetzt werden. Der Thyristor sperrt erst, wenn der Anodenstrom unter den

Haltestrom abgesunken ist und genügend lange unter diesem Wert bleibt.

7 Die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt des Anodenstroms muss begrenzt werden.

8 Der Spannungsanstieg der Anoden-Kathodenspannung duAK/dt muss begrenzt

werden.

9 Beim Abschalten des Thyristors fließt ein großer Anoden-Rückstrom.


Blatt 15

1.2 Verluste und Erwärmung in Halbleiterventilen

1.2.1 Verlustleistung in Halbleiterventilen

Die auftretenden Verlustleistungen in Halbleiterventilen setzen sich aus folgenden Anteilen zusammen:

Sperrverluste Psperr In Rückwärtsrichtung bei nicht leitenden Dioden und Thyristoren

Steuerverluste Psteuer Werden über den Steueranschluss (Gate bzw. Basis) zugeführt

Schaltverluste Ps Ein- und Ausschaltverluste Durchlassverluste Pd Während das Ventil leitet

Blockierverluste Pblock Bei anliegender Vorwärtsspannung, deren Betrag un-terhalb der Durchbruchspannung liegt

Tabelle 1-1.2

Die gesamte Verlustleistung berechnet sich aus der Summe der einzelnen Verlustleistungen.

Bei den Anwendungen in Leistungselektronik 2 überwiegen die Durchlassverluste.

Berechnung der Schaltverluste:

Während des Ein- und Ausschaltens von Leistungshalbleitern treten kurzzeitig sehr hohe

Leistungen auf. Der auftretende Augenblickswert der Leistung berechnet sich aus:

p(t) u(t) i(t)= ⋅

Während des Schaltens entstehen folgende Verlustenergien:

on

s,ont

W p(t) dt= off

s,offt

W p(t) dt=

Die mittlere Schaltverlustleistung ergibt sich somit zu:

on off

s s,on s,off s s,on s,offt t

1 1P P P p(t) dt p(t) dt f (W W )

T T= + = + = ⋅ +

Hierbei ist ton die Zeitdauer des Einschaltvorgangs, toff die Zeitdauer des Ausschaltvorgangs,

T die Periodendauer und s1

fT

= die Schaltfrequenz.

Die Schaltverluste sind proportional zu der Schaltfrequenz. Deshalb müssen sie bei zuneh-

mender Schaltfrequenz (ab ca. 5kHz) immer berücksichtigt werden. Die Schaltfrequenzen

der Anwendungen in Leistungselektronik 2 sind jedoch meist so gering, dass die Schaltver-

luste vernachlässigt werden können.


Blatt 16

Berechnung der Durchlassverluste:

Bei Thyristoren und Dioden kann zur Berechnung der Durchlassverluste die statische Durch-

lasskennlinie aus Abschnitt 1.1.3 herangezogen werden. Die Durchlasskennlinie wurde dort

mit der folgenden Gerade angenähert:

AK T0 A Du U i R= + ⋅

Die Leistung berechnet sich als zeitlicher Mittelwert aus dem Produkt der anliegenden Span-

nung und des fließenden Stroms:

T1

P u(t) i(t)dtT

= ⋅

Die mittlere Durchlassverlustleistung, welche maßgebend für die thermische Beanspruchung

ist, berechnet sich somit zu:

( )= ⋅ = ⋅ + ⋅ 2T T0 A A D

T T

1 1P u(t) i(t)dt U i (t) i (t) R dt

T T

= ⋅ + ⋅

I I

2Aeff

A

22

T T0 A D AT T

1 1P U i (t) dt R i (t) dt

T T

Wobei:

IA = arithmetischer Mittelwert

IAeff = Effektivwert

Die mittlere Durchlassverlustleistung eines Thyristors berechnet sich somit aus:

= ⋅ + ⋅I I2T T0 A D AeffP U R


Blatt 17

1.2.2 Stromberechnungen

Um die mittlere Verlustleistung berechnen zu können, muss der arithmetische Mittelwert und

der Effektivwert des Stromes bekannt sein.

i(t) Augenblickswert des

Stromes i

Spezifischer, zeitlicher Verlauf des

Stromes i, z. B. sinusförmig.

I arithmetischer Mittelwert I =T

1i(t) dt

T

Linearer zeitlicher Mittelwert (Gleich-

richtwert) des Stromes i. Der Gleich-

richtwert ist der lineare Mittelwert der

Beträge der Augenblickswerte i(t),

gebildet über eine Periodendauer.

Ieff Effektivwert = I 2Aeff A

T

1i (t) dt

T

Der Effektivwert stellt den zeitlichen,

quadratischen Mittelwert von Wech-

selgrößen dar.

Tabelle 2-1.2

Beispiele:

Zeitlicher Verlauf von i(t) Arithmetischer

Mittelwert Effektivwert

e

e

ˆ0 t t : i(t) i

t t T : i(t) 0

≤ ≤ =≤ ≤ =

⋅I = etiT

=I eeff

ti

T

ee

e

tˆ0 t t : i(t) it

t t T : i(t) 0

≤ ≤ = ⋅

≤ ≤ = ⋅

⋅I = eti

2 T = ⋅I e

efft1

iT3

ee

e

tˆ0 t t : i(t) i sint

t t T : i(t) 0

≤ ≤ = ⋅ π ⋅

≤ ≤ =

⋅⋅

π ⋅I = e2 t

iT

= ⋅I eeff

t1i

T2

Tabelle 3-1.2

��

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��

� � �

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��

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Blatt 18

1.2.3 Thermisches Ersatzschaltbild

Elektrisches Strömungsfeld Wärmeströmungsfeld

Größe Zeichen Einheit Größe Zeichen Einheit

Potential ϕ V Temperatur ϑ °C

Spannung U V Temperaturdifferenz Δϑ °C

Strom I A Wärmeleistung PV W

Widerstand =IU

R Ω Wärmewiderstand Rth C

W

°

Kapazität C F Wärmekapazität Cth Ws

C°

Tabelle 4-1.2

Bild 1-2.1


Blatt 19

Im thermisch eingeschwungenen Zustand gilt folgender Zusammenhang zwischen den ther-

mischen Größen:

thJC Vges J CR P⋅ = ϑ − ϑ

thCA Vges C AR P⋅ = ϑ − ϑ

thCA thCK thKAR R R= +

Erklärung der auftretenden Größen:

VgesP Gesamte Verlustleistung die im Halbleiter entsteht

thJCR Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse

thCKR Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper

thKAR Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Kühlmedium

thCAR Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlmedium

Das Wärmespeichervermögen der Komponenten wird durch die Wärmekapazität Cth be-

schrieben. Dadurch erhält man das Ersatzschaltbild für den Impulsbetrieb.

Es ergeben sich folgende Wärmezeitkonstanten th thR Cτ = ⋅ :

Silizium ca. 2 ms

Gehäuse ca. 2 s

Kühlkörper ca. 2…20 min

1.2.4 Kühlung

Leistungshalbleiter werden meist mit Kühlkörpern gekühlt. Der Kühlkörper sollte möglichst

dicht am Leistungshalbleiter angebracht sein, damit der Wärmeübergangswiderstand sehr

gering wird. Durch Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad kann der Wärmeübergang ver-

bessert werden.

Man unterscheidet zwischen der natürlichen Kühlung und der verstärkten Kühlung. Bei der

natürlichen Kühlung wird die entstehende Wärme über einen Kühlkörper direkt an die Umge-

bungsluft abgegeben. Verstärkte Kühlung bedeutet, dass der Kühlköper entweder mit Lüftern

bestückt ist, oder selbst durch Wasser oder Öl gekühlt wird.


Blatt 20

Die Kühlleistung Pk eines Kühlkörpers berechnet sich wie folgt:

k thKA vgesP c Q c Q R P= ρ ⋅ ⋅ ⋅ Δϑ = ρ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Hierbei bedeutet:

ρ = Dichte Luft: 31,20 kg/mρ =

c = spezifische Wärme Luft: 3c 1,00 10 Ws /(kg K)−= ⋅ ⋅

Q = Kühlstrom Luft: = lQ 5...100 / s

Δϑ = Temperaturunterschied zw. Gehäuse und Umgebung

Um nun für den entsprechenden Anwendungsfall den richtigen Kühlkörper auswählen zu

können, geben die Kühlerhersteller zu jedem Kühlkörper den Wärmeübergangswiderstand

thKAR an. In dieser Widerstandsangabe ist bereits berücksichtigt, ob es sich um natürliche

oder verstärkte Kühlung handelt.

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