Stand: 2004-03
Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal
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tgd = Zündverzugszeit (100% - 90% Ue)
Zeitdauer vom Anfang des Zündimpulses bis zum Abfall der Thyristorspannung auf 90% des Anfangswertes (1...10µs; abhängig vom Zündimpuls)
tgr = Durchschaltzeit (90% - 10% Ue)
Zeitdauer, in der die Thyristorspannung von 90% auf 10% ihres Anfangswertes abfällt (einige µs; abhängig vom Schaltkreis)
tgt = Zündzeit (100% - 10% Ue) = tgd + tgr
tgs = Zündausbreitungszeit
Zeitdauer nach Zündzeit bis zum Erreichen der statischen Durchlaßspannung (50...100µs; abhängig von der Geometrie und Gateanordnung; Zündausbreitungsgeschwindigkeit:
vz ≈ 0,1mm/µs)
te = Einschaltzeit = tgt + tgs
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Definition:
Die kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit gibt an, mit welcher maximalen Geschwindigkeit sich der Strom beim Zünden ändern darf, ohne daß der Thyristor zerstört wird.
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Physikalische Erklärung:
Am Anfang ist nur ein kleiner Kanal in unmittelbarer Nähe des Gates leitend. Steigt der Strom jetzt mit einer sehr steilen Stromsteilheit an, so entstehen in den kleinen leitenden Kanal hohe Stromdichten. Bei Überschreiten des Grenzwertes kann der Thyristor zerstört werden.
Zeichen:
Definition:
Die kritische Spannungssteilheit gibt an, mit welcher maximalen Geschwindigkeit sich die Spannung am Thyristor ändern darf, ohne
daß sich der Thyristor selbständig zündet.
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Physikalische Erklärung:
Das
hängt mit den kapazitiven Eigenschaften einzelner pn-Übergängen zusammen. Der in Sperrrichtung gepolte pn-Übergang ist mit einen Plattenkondensator vergleichbar, dessen kapazitiver Strom durch die Spannungsänderung beeinflußbar ist
.
Dieser Strom fließt über die äußeren pn-Übergänge und löst in der mittleren Sperrschicht eine Ladungsträgerinjektion aus. Er hat damit die Wirkung eines Gatestromes. Beim Überschreiten der kritischen Spannungssteilheit reicht der kapazitive Strom aus um den Thyristor zu zünden.
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ITM = Vorstrom
= Stromsteilheit der Abkommutierung (hier: )
Uk = Kommutierungsspannung
wiederkehrende Spannung UR in Sperrichtung
Irr = Rückstromspitze
abhängig von ITM,
,
Uk und Sperrschichttemperatur TVJ)
trr = Sperrverzögerungszeit
Zeitdauer vom Stromnulldurchgang bis zum Zeitpunkt, an dem der Rückstrom wieder auf 10% von Irr abgesunken ist (abhängig von ITM,
,
Uk und TVJ )
Qrr = Sperrverzögerungsladung (Sperrverzugsladung)
(abhängig von ITM,
,
UR und TVJ )
uR(t) = Spannungsverlauf in Sperrichtung
(uR und
abhängig von irr , Uk und Beschaltung)
Ohne TSE-Schaltung |
Mit TSE-Schaltung
R ≈ 100Ω ; C ≈ 0,47µF
IRMM = Rückwärts Stromspitze
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Die Freiwerdezeit ist in weiten Grenzen von den jeweiligen inneren und äußeren Betriebsbedingungen abhängig.
Sperrschichttemperatur |
TVJ |
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vorangegangener Durchlaßstrom |
ITAVM |
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Stromsteilheit der Abkommutierung |
-di/dt |
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wirksame Spannung in Rückwärtsrichtung |
UR |
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wiederkehrende Spannung in Vorwärtsrichtung |
UD |
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Spannungssteilheit der wiederkehrende Spannung |
du/dt |
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Die Freiwerdezeit ist neben seiner speziellen Bedeutung als Dimensionierungsparameter von allgemeinen Interesse für den Einsatz von Thyristoren, da sie gleichzeitig das gesamte Schaltverhalten und damit auch das elektrische und das thermische Gesamtverhalten kennzeichnet.
Beim praktischen Einsatz ist stets zu gewährleisten, daß den Thyristoren in allen Betriebspunkten eine auszureichende Schonzeit mit negativer Sperrspannung beim Ausschalten zur Verfügung steht, die deren Freiwerdezeit um einen gewissen Sicherheitsfaktor übersteigt:
(tc = Freihaltezeit oder Schonzeit)
Thyristoren für fremd- bzw. netzgeführte Stromrichterschaltungen insbesonders zum Betrieb am 50 (60) Hz Netz (tq = 60...300µs). Thyristoren in fremdgeführten Stromrichtern am 50Hz Netz erhalten ihre Kommutierungsspannung vom Wechselspannungsnetz. Sie schalten also mit Netzfrequenz. Netzthyristoren sind auf Kosten ihrer dynamischen Eigenschaften nach ihrer Strombelastbarkeit optimiert:
Thyristoren für selbstgeführte Wechselrichterschaltungen (tq = 5...60µs).
Für Mittelfrequenzanwendungen oder für den Pulsbetrieb an Gleichspannung werden selbstgeführte Stromrichter eingesetzt, die ihre Kommutierungsspannungen selbst aufbringen müssen (im allgemeinen durch zusätzliche Löschkreise mit vorgeladenen Kondensatoren, Umschwingdrosseln und Hilfsventilen). Die Thyristoren schalten also mit höheren Frequenzen (z.B. 100Hz...10kHz).
Frequenzthyristoren sind auf Kosten ihrer Strombelastbarkeit oder ihres Sperrvermögen nach ihren dynamischen Eigenschaften optimiert:
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Diese Aufteilung ist im Zeitliniendiagram gezeigt. Die hier schraffiert gekennzeichnete Leistungsfläche
stellt die Schalt-Verlustenergie während des Einschaltvorgangs dar. Bei periodischem Einschaltbetrieb mit der Frequenz f ist dann die mittlere Einschaltverlustleistung.
Die Einschaltverluste hängen vom Thyristortyp und von den physikalischen und schaltungstechnischen Randbedingungen ab. Sie können nicht allgemein berechnet werden.
Für Frequenzthyristoren mit bevorzugten Anwendungsbereichen sind häufig spezielle Belastbarkeitsdiagramme angegeben. Für abweichende Beanspruchungen können dies Diagramme analysiert und damit die auftretenden Schaltverluste abgeschätzt werden.
Während die Einschaltverluste bei Netzanwendungen von untergeordneter Bedeutung sind, bilden sie bei der Mittelfrequenzanwendungen (z.B. 1kHz) eine wichtige Komponente (z.B. 50%) der Gesamtverluste.
Weiterhin muß berücksichtigt werden, daß die Einschaltverlustenergie in Gatenähe in Wärme umgesetzt wird. Sie bildet hier lokale Überhitzungen (hot spots), die den Thyristor gefährden.
Zur Einhaltung der Grenzwerte bzw. zur Verminderung der Einschaltverluste ergeben sich folgende Möglichkeiten:
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Die Systemgrößen während des Ausschaltens werden durch einfache Funktionen approximiert. Vereinfachte Systenmgrößen und Bezeichnungen:
Näherung des Ausschaltstroms durch eine exponentiell abklingende Funktion mit der Zeitkonstante τ.
Näherung der wiederkehrenden Spannung durch zwei Geradenstücke
Die Verlustenergie des Ausschaltvorgangs ergibt sich daraus zu
Bei periodischem Auschaltbetrieb mit der Frequenz f ist dann die mittlere Ausschaltverlustleistung:
Während die Ausschaltverluste bei Netzanwendung von untergeordneter Bedeutung sind, bilden sie bei der Mittelfrequenzanwendungen eine wichtige Komponente der Gesamtverluste (häufig wesentlich größer als die Einschaltverluste). Sie können in Schaltungen mit Antiparalleldioden vernachlässigt werden. Die Ausschaltverluste werden über die gesamte Sperrschicht verteilt in Wärme umgesetzt und sind damit weniger ventilgefährdend.
Von besonderer Bedeutung ist das Ausschaltverhalten für die Spannungsbeanspruchungen von induktiven Kommutierungskreisen.
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Gleichstromleistung:
Wechselstromleistung:
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