Versuch 8: Thyristor

Praktikum Elektronische Bauelemente
Theoretische Unterlagen
Versuch 8: Thyristor
Stand: 20. April 2010
1

Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeines 3
2 Aufbau des Thyristors 3
3 Wirkungsweise und Kennlinien 3
3.1 Verhalten bei negativer Anodenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 Verhalten bei positiver Anodenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.3 Der Zündvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3.1 Erläuterung des Zündens anhand des Zweitransistormodells . . 5
3.3.2 Die Zündbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3.3 Zündung ohne Steuerstrom (ISt = 0) . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3.4 Zündung durch den Steuerstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.4 Löschen des Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.5 Kennlinie des Steuerkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.6 Temperaturabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Dynamische Eigenschaften 9
4.1 Kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt . . . . . . . . . . . 9
4.2 Kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3 Einschaltverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.4 Ausschaltverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Vergleich von Thyristor und mechanischem Schalter 13
5.1 Vorteile von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.2 Nachteile von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2

I
U
ISt
I + ISt
p sn sp A
(+) n (+)
1 Allgemeines
Abbildung 1: Schichtstruktur und Schaltbild des Thyristors.
Der Thyristor, ein Halbleiterbauelement mit der Funktionsweise einer steuerbaren
Gleichrichterzelle, hat in der Starkstromtechnik große Bedeutung erlangt. Mit einer
Einzelzelle werden heute Sperrspannungen von einigen 1000 V und Dauergrenzströme
von mehr als 2 kA erreicht. Der Leistungsbereich kann durch Reihen- und Parallelschaltung
noch erheblich erweitert werden. Typen kleiner Leistung finden zunehmend
Anwendung in der Elektronik. Im angloamerikanischen Schrifttum ist für den Thyristor
die Bezeichnung SCR (silicon controlled rectifier) üblich.
2 Aufbau des Thyristors
Der Thyristor ist ein Vierschichtelement (pnpn) mit drei pn-Übergängen. Gemäß Abbildung
1 ist die Schichtung: p-Emitter (mit Anodenelektrode), n-Basis, p-Basis (mit
Steuerelektrode), n-Emitter (mit Kathodenelektrode). Die Emitter sind stark, die Basen
schwach p- bzw. n-dotiert. Als Ausgangsmaterial wird für Thyristoren wegen der
geforderten hohen Spannungsfestigkeit und Temperaturbeständigkeit Silizium verwendet
(großer Bandabstand).
3 Wirkungsweise und Kennlinien
Die Wirkungsweise des Thyristors läßt sich durch das Verhalten der drei abwechselnd
entgegengesetzten pn-Übergänge unter Berücksichtigung ihrer gegenseitigen Beeinflussung
erklären. Die Strom-Spannungs-Kennlinie (Abbildung 2) zeigt vier verschiedene
Bereiche: für negative Anodenspannung die Sperrkennlinie (R) und für positive
Anodenspannung die Blockierkennlinie (B), die Durchlasskennlinie (F) und einen
Kennlinienast mit negativem differentiellem Widerstand (N).
3.1 Verhalten bei negativer Anodenspannung
Bei Anlegen einer Sperrspannung −UAK (Anode negativ) an den Thyristor liegt der
mittlere pn-Übergang in Flussrichtung und die beiden äußeren pn-Übergänge sind in
G
K
3

IH
(R) Sperrbereich
I
UH
(N)
(F) Durchlassbereich
ISt > 0
ISt = 0
UBT0
(B) Blockierbereich
Abbildung 2: Strom-Spannungs-Kennlinie mit Nullkippspannung UBT0 Haltespannung
UH und Haltestrom IH.
Sperrichtung gepolt. Somit ist der Thyristorstrom im wesentlichen durch den Sperrstrom
über die beiden äußeren pn-Übergänge bestimmt (unabhängig vom Potential
der Steuerelektrode). Wegen der niedrig dotierten Basen (sn, sp) sind sehr hohe Sperrspannungen
möglich. In Abbildung 3 a) sind der Potentialverlauf und die Raumladungszonen
für den gesperrten Thyristor dargestellt.
3.2 Verhalten bei positiver Anodenspannung
Bei Polung in Schaltrichtung liegen die beiden äußeren pn-Übergänge in Flussrichtung,
der mittlere dagegen in Sperrichtung. Steigert man, vom stromlosen Zustand ausgehend,
die Spannung, so fließt nur der geringe Sperrstrom den mittleren sn-Übergangs,
solange die Steuerspannung UST ≤ 0 V ist.
Es ergibt sich die Blockierkennlinie (B) wie sie in Abbildung 2 zu sehen ist. In
Abbildung 3 b) sind die Raumladungszone und der Potentialverlauf für diesen Betriebszustand
dargestellt.
Im Durchlassbereich existiert noch ein weiterer Betriebszustand, der durch den Vergleich
mit der psn-Diode verständlich wird. Beim psn-Gleichrichter wird die schwach
dotierte sn-Zone bei Betrieb in Flussrichtung, mit Ladungsträgern aus der stark dotierten
p-Zone überschwemmt. Für starke Flussströme ist es unbedeutend, ob diese
Zone aus zwei verschieden dotierten Bereichen besteht. Man erhält die Durchlasskennlinie
(F). Die Flussspannung liegt je nach Strom und Thyristortemperatur zwischen
4
U

A
000 111
000 111
sn sp 01
n
01
K A
sn 00000 11111
00000 11111
U 000 111
01
G
U 00000 11111
G
(+)
UAK
p sp
(+) p (+) n (+)
UAK
x x
a) Sperrpolung b) Blockierpolung
Abbildung 3: Raumladungszonen und Potentialverlauf des Thyristors in
a) Sperrbetrieb (links) und
b) Blockierbetrieb (rechts).
1 und 2 V.
Der Übergang von der Blockier- in die Flusskennlinie erfolgt bei Erreichen der Nullkippspannung
UBT0 (über Kopf zünden) oder wird durch einen Zündimpuls zwischen
Kathode und der anschließenden p-Basis (Gate) eingeleitet (positive Steuerspannung).
3.3 Der Zündvorgang
3.3.1 Erläuterung des Zündens anhand des Zweitransistormodells
Denkt man sich den Thyristor aus zwei Transistoren zusammengesetzt (Abbildung 4),
lässt sich der Zündvorgang sehr anschaulich darstellen.
Schließt man den Steuerkreis des Thyristors, so führt der Steuerstrom ISt zugleich
Basistrom des Transistors T1, zu einer um den Stromverstärkungsfaktor β verstärkten
Elektroneninjektion des n-Emitters E1 in die p-Basis B1, die dort zum Teil rekombinieren.
Der Hauptteil des Emitterstromes gelangt zum Kollektor C1 (IC1 = αnpn·IE1 )
und steuert nun über die Basis B2 den pnp-Transistor T2. Dies führt zu einer verstärkten
Löcherinjektion des p-Emitters E2 (Anode) in die Basis B2, wovon ein Großteil
zu Kollektor C2 fließt (IC2 = αpnp · IE2 ) und wiederum als Steuerstrom für den npn-
Transistor T1 wirkt. Der Gesamtstrom I schaukelt sich mittkopplungsartig auf, sodass
die schwach dotierten Zonen schließlich mit Ladungsträgern überschwemmt werden.
Der zunächst gesperrte mittlere pn-Übergang Ü2 verliert seine Sperrfähigkeit.
3.3.2 Die Zündbedingung
Die Zündbedingung des Thyristors lässt sich aus der Strombilanz der n-Basis B2
welche keine äußeren Anschlüsse besitzt, angeben (siehe Abbildung 5). Über den pn-
Übergang Ü1 fließt der von Löchern geführte Gesamtstrom I der n-Basis zu. Davon
K
5

+
−
A
E2 B2 C2
p n p
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
0000 1111
IV III
II
n
RL
III II
C1
Abbildung 4: Zweitransistormodell des Thyristors zur Erläuterung des Zündvorgangs.
rekombiniert ein Teil (1 − αpnp) · I in der Basis, wobei jeder Rekombinationsprozess
dieser ein Elektron entzieht.
Die übrigen Löcher (αpnp · I) fließen durch den Übergang Ü2 zum Kollektor von T2
ab. Gleiches gilt für die durch Ü3 vom n-Emitter injizierten Elektronen, von denen
nur (1 − αnpn) · (Ist + I) in der p-Basis rekombinieren und αnpn · I der n-Basis zufließen.
Außer den Strömen αpnp ·I und αnpn ·(I + Ist) ist in der Strombilanz noch der
Sperrstrom des pn-Übergangs Ü2 zu berücksichtigen.
Im stationären Zustand muss in der n-Basis die Summe aller Ströme Null sein, d.h.
p
B1
I − αpnp · I − Isp + (−αnpn) · (I + Ist) = 0 (1)
1
I =
1 − (αnpn + αpnp) · (Isp + αnpnIst) (2)
Wesentlich für die Wirkung des Sperr- und Steuerstromes sind die in der Gleichung
enthaltenen Stromverstärkungsfaktoren, die bei kleinen Strömen stark stromabhängig
sind (Abbildung 6). Bei niedrigen Strömen werden relativ viele Ladungsträger durch
Traps (erlaubte Zustände im verbotenen Band) eingefangen und rekombinieren, wodurch
α stark von 1 abweicht. Mit zunehmendem Strom werden die Traps gesättigt
und die Stromverstärkungsfaktoren α steigen an.
6
I
E1
R
n
−
+
K

αpnp ·I
Ü1 Ü2 Ü3
p n p n
A I
I + ISt
I
K
Isp
IV III II
I
(−1)αnpn ·(I + ISt)
G
ISt
Abbildung 5: Ströme im Thyristor.
Abbildung 6: Stromverstärkungsfaktoren
−(I + ISt)
7

3.3.3 Zündung ohne Steuerstrom (ISt = 0)
Kommt die Thyristorspannung im Blockierbetrieb in die Nähe des Diodendurchbruchs,
erreicht der Sperrstrom die Größenordnung von einigen mA. Er ersetzt den nicht
vorhandenen Steuerstrom (siehe Summationspunkt in Abbildung 5) und lässt die
Stromverstärkungsfaktoren αnpn und αpnp anwachsen (Abbildung 6), bis der Thyristor
zündet. Diese Art der Zündung nennt man „über Kopf zünden“; großflächige
Thyristoren werden dadurch leicht zerstört (inhomogene Stromverteilung). Die für
diesen Zündvorgang nötige Spannung heißt Nullkippspannung UBT0 .
3.3.4 Zündung durch den Steuerstrom
Die Zündung des Thyristors wird bei beliebig kleinen Sperrströmen möglich, wenn ein
Steuerstrom eingespeist und dadurch die Summe der Stromverstärkungen
αnpn + αpnp ≥ 1
wird.
Aus Gleichung 1 erkennt man, dass sich für gleich große Anodenströme I beim
Fließen eines Steuerstromes kleinere Sperrströme ergeben. Daraus folgt, dass die positiven
Sperrkennlinien für Ist > 0 innerhalb der Kennlinie für Ist = 0 liegen. Die höchste
Spannung jeder Schaltkennlinie heißt Kippspannung UBT, der zugehörige Strom
Kippstrom. Der Übergang von der Durchlasskennlinie in die Kennlinie mit negativem
differentiellem Widerstand ist durch den Haltestrom IH und die Haltespannung UH
charakterisiert (Abbildung 2).
Die zur Zündung des Thyristors nötigen Ladungsträger können durch Strahlung
(Licht) erzeugt werden. Optische zündbare Thyristoren bieten große Vorteile, da Zündübertrager
durch Lichtleiter ersetzt werden können. Dies bedeutet eine galvanische
Trennung von Last- und Steuerkreis, welche Störeinkopplungen eliminiert. Die Lichterzeugung
kann durch Lumineszenzdioden realisiert werden.
3.4 Löschen des Thyristors
Der Anodenstrom eines gezündeten Thyristors bleibt auch ohne Steuerstrom bestehen,
solange ihn die äußere Beschaltung liefert. Für den Übergang von der Fluss- in
die Blockierkennlinie ist Voraussetzung, dass die mittlere, überschwemmte sn-sp-Zone
frei von Ladungsträgern wird. Dies ist der Fall, wenn der Anodenstrom auf einen
kleineren Wert als der Haltestrom absinkt, sodass die Ladungsträger in den Basiszonen
rekombinieren oder wenn durch Umpolen der Anodenspannung die Ladungsträger
sehr schnell abgesaugt werden.
Eine weitere Möglichkeit wäre das Löschen durch einen negativen Steuerstrom. Dies
wurde in sogenannten GTOs (GateTurnOff Thyristoren) realisiert. Grenzen sind diesem
Verfahren wegen der hohen thermischen Belastung der Thyristoren durch sehr
hohe negative Steuerströme beim Löschen gesetzt (etwa 30-50% des Anodenstromes).
8

Abbildung 7: Streugrenzen der Steuerstreckenkennlinie
mit Zündbereich
(schraffiert).
3.5 Kennlinie des Steuerkreises
Die Strom-Spannungs-Kennlinie zwischen Gate und Kathode entspricht grundsätzlich
der einer Siliziumdiode. Die sehr große laterale Ausdehnung der Gatezone bewirkt
einen hohen Bahnwiderstand und dadurch einen flacheren Verlauf der Kennlinie als
für Si-Dioden typisch. Zudem fließt der Steuerstrom im wesentlichen parallel zu den
pn-Übergängen, was zu einer großen Exemplarstreuung führt. Es ist deshalb üblich, für
Thyristoren eines Typs eine obere und untere Grenze der Steuerelektroden-Kennlinie
anzugeben, zwischen denen der Zündbereich liegt.
3.6 Temperaturabhängigkeit
Sämtliche Thyristordaten, insbesondere auch die noch zu behandelnden dynamischen
Kennwerte, sind stark temperaturabhängig. Es werden deshalb in Datenblättern die
Grenzwerte jeweils für maximale Betriebstemperatur angegeben.
Ein Ansteigen der Temperatur bewirkt eine Zunahme der Sperrströme sowohl in
Sperr- als auch in Blockierrichtung und eine Zunahme der Stromverstärkungsfaktoren
αpnp und αnpn (Abbildung 6). Dadurch wird die Zündbedingung αnpn + αpnp ≥ 1
bei kleinerem Steuerstrom bzw. für Ist = 0 bei einer geringen Blockierspannung erreicht,
was eine starke Abnahme der Blockierfähigkeit zur Folge hat. Oberhalb einer
bestimmten Temperatur verliert der Thyristor sein Funktionsfähigkeit völlig.
4 Dynamische Eigenschaften
4.1 Kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt
Bei Beanspruchung von Thyristoren in Blockierrichtung durch eine schnell ansteigende
Spannung fließt zum mittleren pn-Übergang aufgrund seiner Sperrschichtkapazität ein
kapazitiver Ladestrom ic = C · du
dt . Steigt die Spannung schneller als mit der kritischen
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an, so kann dieser Strom den Thyristor schon vor
seiner statischen Kippspannung zünden (Abbildung 9).
9

Abbildung 8: Sperrkennlinie des pn-übergangs Ü2 bei verschiedenen Temperaturen
(links). Nullkippspannung als Funktion der Temperatur (rechts).
10
Abbildung 9: Kippspannung UBT als Funktion von du
dt .

UAK
0.9
0.1
td
tr
te = td + tr
Abbildung 10: Definition der Einschaltzeit te = td + tr
4.2 Kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt
Nach der Zündung des Thyristors breitet sich der Zündvorgang mit endlicher Geschwindigkeit
von der Gatezone weg aus. Demnach ist der Laststrom momentan auf
eine kleine Fläche begrenzt, sodass bei einer Überschreitung der kritischen Stromanstiegsgeschwindigkeit
in diesem Bereich die kurzzeitige sehr hohe Stromdichte eine
thermische Zerstörung des Thyristors herbeiführen kann. Bei hohen Werten für di
dt
werden die Einschaltverluste besonders groß.
4.3 Einschaltverhalten
Nach dem Anlegen eines Zündimpulses an den blockierten Thyristor beginnt das eigentliche
Durchschalten erst nach einer Einschaltverzugszeit td, die vom Steuerimpuls
und der Blockierspannung abhängt. Dann erst schaltet der Thyristor mit der Durchschaltezeit
tr durch (Abbildung 10).
4.4 Ausschaltverhalten
Das Ausschaltverhalten des Thyristors nach dem Umpolen der Spannung (Kommutierung)
ist in zwei Bereiche zu unterteilen. Diese sind die Zeitspanne bis zur Wiedererlangung
der negativen Sperrfähigkeit zum einen und der Blockierfähigkeit zum
anderen.
Nach dem Nulldurchgang des Stromes kann der Thyristor seine negative Sperrfähigkeit
erst erlangen, wenn die beiden äußeren pn-Übergänge nahezu frei von Ladungsträgern
sind. Das Absaugen dieser Ladungen bewirkt einen negativen Rückstrom,
dessen Höhe von der Flussstromstärke und der abkommutierenden Stromsteilheit abhängt.
Die Zeit vom Nulldurchgang des Stromes bis zum Nulldurchgang des Spannung
t
11

U
I t > tq
I
ts
U
trr
t < tq
C1 groß
C1 klein
Abbildung 11: Strom- und Spannungsverlauf bei der Kommutierung.
ist als Spannungsnachlaufzeit ts definiert. Sobald die Ladungen aus den äußeren pn-
Übergängen abgesaugt sind, sinkt der Rückstrom auf den Sperrsättigungsstrom ab.
Jetzt hat der Thyristor seine volle Sperrfähigkeit erreicht (Sperrverzögerungszeit trr).
Zu diesem Zeitpunkt befinden sich jedoch noch Ladungsträger in den schwach dotierten
Zonen, sodass der Thyristor erst wieder blockieren kann, wenn diese abgesaugt
oder rekombiniert sind. Die erforderliche Zeit vom Stromnulldurchgang bis zur Wiedererlangung
der Blockierfähigkeit wird als Freiwerdezeit tq bezeichnet.
Die Abhängigkeit der Freiwerdezeit von Temperatur und Anodenspannung zeigt
Abbildung 12.
Abbildung 12: Typische Freiwerdezeit abhängig von Temperatur (links) und Sperrspannung
(rechts).
12
t

5 Vergleich von Thyristor und mechanischem Schalter
5.1 Vorteile von Thyristoren
• hohe Lebensdauer (kein Kontaktabbrand)
• Sicherheit (Stoßfestigkeit, keine Funkenbildung)
• hohe Schaltgeschwindigkeit
– Möglichkeit der Phasenanschnittsteuerung
– Möglichkeit des Nullpunktschaltens
• geringe Steuerleistung
• optische Ansteuerung
• prellfrei, geräuschlos
5.2 Nachteile von Thyristoren
• für Wechselstrom ist Triac oder zwei Thyristoren nötig
• nur ein Stromkreis
• Spannungsabfall im durchgeschalteten Zustand ≥ 3 V
• Leckstrom (z.B. 4 · 10 −4 · Inenn)
• keine galvanische Trennung
• zwischen Ein- und Ausgang minimaler Schaltstrom (Haltestrom)
• Überlastbarkeit begrenzt
• di
dt
• du
dt
kritisch bei kapazitiver Last
kritisch bei induktiver Last
• maximale Schaltspannung UBT0
• Temperaturbereich
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Literatur
[1] Gerlach: Thyristoren. Springer, 1979.
[2] Gerlach und Köhl: Festkörperprobleme Braunschweig. 1969.
[3] Ginsbach: Der Thyristor E u M. 1965.
[4] GmbH, Alfred Neye Enatechnik (Herausgeber): RCA Halbleiterschaltungen der
Nachrichtentechnik. Quickborn Hamburg.
[5] Grauert: Aufbau, Funktion und Anwendung steuerbarer Siliziumgleichrichter.
Techn. Rundschau, (20), 1961.
[6] Hoffmann und Stocker: Thyristorhandbuch. Siemens, Berlin, 1965.
[7] Müller, R.: Bauelemente der Halbleiterelektronik 2. Springer, 4. Auflage, 1991.
[8] Spenke: Festkörperprobleme. Braunschweig Vieweg, 1967.
[9] Tille, Thomas und Doris Schmitt-Landsiedel: Mikroelektronik. Springer Berlin,
2004.
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