Versuch 8: Thyristor

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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
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