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Bauelemente der
LEISTUNGSELEKTRONIK
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Bauelemente der LEISTUNGSELEKTRONIK
Florian Kurcz
Inhaltsverzeichnis
1 Thyristor ............................................................................................................. 3
1.1.1 Schaltszeichen ......................................................................................................................... 3
1.2 Eingangskennlinie: .............................................................................................................................. 3
1.3 Ausgangskennlinie: ............................................................................................................................. 4
2 DIAC ...................................................................................................................... 5
2.1.1 Dotierungsfolge ....................................................................................................................... 5
2.1.2 Schaltsymbol ........................................................................................................................... 5
2.1.3 Kennlinie .................................................................................................................................. 5
3 TRIAC.................................................................................................................... 6
3.1 Aufbau: ..................................................................................................................................................... 7
3.1.1 Prinzip: ..................................................................................................................................... 7
3.1.2 Schaltsymbol: .......................................................................................................................... 7
3.2 Kennlinie: ................................................................................................................................................ 7
3.3 Verwendung: .......................................................................................................................................... 8
4 Leistungs-MOSFET ........................................................................................... 9
4.1 Aufbau .................................................................................................................................................... 10
5 IGBT ................................................................................................................... 10
5.1 Aufbau: .................................................................................................................................................. 11
5.1.1 Ersatzschaltung: ..................................................................................................................... 11
5.1.2 Schaltsymbol: ........................................................................................................................ 11
[2]

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Thyristor
Eingangskennlinie:
1 Thyristor
Der Name Thyristor setzt sich aus Thyratron und Transistor zusammen. Thyratron waren Quecksilber
Dampf gefüllte Gleichrichterröhren. Im englischen Sprachraum (SCR = silicon controlled rectifier)
Der Thyristor ist ein 4-Schicht Leiter Bauelement, bestehend aus einer Silizium Scheibe, die die
Dotierungsfolge PNPN aufweist.
A …... Anode
A P N P N K K ...… Kathode
G …... Gate
G
Dadurch entstehen im inneren 3PN Übergänge, von denen der Mittlere umgekehrte Polarität besitzt.
Somit sperrt der Thyristor in beiden Richtungen. Liegt an der äußeren P-Schicht eine positive bzw. an
der N-Schicht eine negative Spannung, so ist der Thyristor in Vorwärtsrichtung geschaltet.
Es sperrt nur der mittlere PN Übergang. Wird nun an die innere P Schicht eine positive Spannung
angelegt so wird durch den fließenden Strom die Sperrschicht mit Ladungsträger überflutet. Damit
verhält sich dieser Teil des Thyristors wie eine große N-Schicht d.h. der gesamte Thyristor arbeitet
wie eine Diode in Durchlassrichtung.
Nach dem Zünden des Thyristors kann die Gate-Spannung abgeschaltet werden, da durch den
Hauptstrom die Überflutung der Gatezone mit Ladungsträger aufrechterhalten wird. Der Thyristor
verlöscht erst wieder, wenn der Hauptstrom 0 wird.
Bei negativer Polung sperren die beiden äußeren PN-Übergänge und der Thyristor verhält sich wie
eine Diode in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung).
1.1.1 Schaltszeichen
P-Gate-Thyristor N-Gate-Thyristor Thyristortetrode
A
G
K
A K G1
G
A
G2
K
1.2 Eingangskennlinie:
I G [mA]
30
20
10
Ptot
sicher Zünden
wahrscheinlich Zünden
sicher nicht Zünden
1 2 3
U GK [V]
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Thyristor
Ausgangskennlinie:
Die Eingangskennlinie entspricht einer Diodenkennlinie. Die für das Zünden notwendigen Ströme
liegen sehr nahe an der P Tot Grenze, daher werden zum Ansteuern nur kurze Stromimpulse
verwendet die in den P Tot Bereich hineinreichen.
1.3 Ausgangskennlinie:
I T
Durchlasskennlinie
I G3 >I G2 >I G1 >0
I G3
I G2
U I H
BR
I G1
I G =0
U B0
U T
Ohne Gatestrom zündet der Transistor bei U B0 (äußerer PN-Übergang bricht durch.) Man bezeichnet
das auch als Zünden über Kopf. Beim einspeisen eines Gatestromes genügen entsprechend kleinere
Gate-Spannungen zum Zünden. Nun verhält sich der Thyristor wie eine Diode in Durchlassrichtung,
wird allerdings der Strom I H (Haltestrom) unterschritten, so kann die Überflutung der Gatezone nicht
mehr aufrecht erhalten werden und der Thyristor verlöscht.
Die Ansteuerung des Thyristors erfolgt durch Anlegen einer Zündspannung zum gewünschten
Zeitpunkt.
D ist eine Schutzdiode für negatives U GK
U ~
R v
D
U Th
α .... Zündwinkel
γ .... Stromflusswinkel
α+γ=180°
U Th
α
γ
t
i
t
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DIAC
Ausgangskennlinie:
Nach dem Spannungsnulldurchgang beginnt die Spannung am Spannungsnulldurchgang zu steigen,
bis der Storm groß genug ist, um den Thyristor zu zünden, danach fließt durch den Thyristor Strom
bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang. Während der negativen Halbwelle sperrt der Thyristor,
bei der nächsten positiven Halbwelle beginnt der Vorgang neuerlich. Über die Höhe des
Widerstandes, kann eingestellt werden, bei welcher Spannung der Thyristor zündet. Je höher der
Widerstand ist, desto später zündet der Thyristor, desto kürzer dauert der Stromfluss =>
Phasenanschnittssteuerung.
U ~
R v
D
U Th
C
Diac (Triggerdiode)
Verwendet man anstatt des Vorwiderstandes einen frequenzabhängigen Spannungsteiler, so erreicht
man durch die Phasenverschiebung, dass der Zündwinkel über 90° verschoben werden kann. Durch
den eingebauten Diac kann der Zündzeitpunkt des Thyristors stabilisiert werden.
2 DIAC
Diac …. diode for alternating current
2.1.1 Dotierungsfolge
P N P
2.1.2 Schaltsymbol
2.1.3 Kennlinie
i
Durchlasskennlinie
Sperrkennlinie
25-20V
U
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TRIAC
Ausgangskennlinie:
Bei Stromrichterschaltungen wird aus mehreren Gründen eine galvanische Trennung zwischen
Leistungsteil und Ansteuerelektronik gefordert.
Zündübertrager:
+U B
Wird der Transistor angesteuert so beginnt durch die Primärwicklung ein Strom zu fließen, dadurch
entsteht in der Sekundärwicklung eine Flussänderung und somit wird ein Spannungsimpuls induziert
der den Thyristor zündet: ·
.
Beim Betrieb von Thyristoren sind auf Grund ihrer dynamischen Eigenschaften einige
schaltungstechnische Maßnahmen zu beachten. Beim Zünden darf der Strom nicht zu schnell
ansteigen, da es sonst zu einer lokalen Überhitzung im Halbleiter kommt. Bei induktiven Lasten wird
der Stromanstieg durch den Verbraucher selbst begrenzt. Bei ohmschen Lasten muss zusätzlich eine
Drossel vorgesehen werden. Da Induktivitäten hohe Selbstinduktionsspannungen erzeugen, wird
zum Thyristor noch ein RC-Glied parallel geschaltet. Dieses bildet mit der Induktivität einen
Schwingreis, in dem die Energie langsam abgebaut wird.
R
L
R
C
·
2 ·
2
·
1 ·
1
Um den Thyristor gegen Stromüberlastung zu schützen sind flinke Sicherungen vorzusehen
3 TRIAC
Triac …. triode for alternating current
Thyristoren haben den Nachteil, dass sie nur in eine Richtung leiten, für Wechselstromsteller, die
beide Halbwellen schalten sollen müssen daher 2 Thyristoren antiparallel geschalten werden.
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TRIAC
Aufbau:
3.1 Aufbau:
A
A
H2
H2
G
P
N
P
N
K
+
H1,2 Hauptelektroden
N
P
N
P
K
G
=
G
Diese Anordnung ist bei beiden Hauptspannungsrichtungen sowohl mit positiver als auch mit
negativer Zündspannung an steuerbar. Da der Wirkungsgrad größer ist, wenn Zünd- und
Hauptspannung gleiche Richtung haben, sollte dies die bevorzugte Art der Ansteuerung sein.
3.1.1 Prinzip:
P
N
P
N
H1
N
P
N
P
=>
G
N
N
P
N
P
H1
N
G
H2
H1
R L
3.1.2 Schaltsymbol:
H 2
G
H 1
3.2 Kennlinie:
i T
u B0
u T
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TRIAC
Verwendung:
3.3 Verwendung:
Am häufigsten für Wechselstromsteller (Stromrichterschaltungen, die die Amplitude der Spannung
ändern können).
W1…einphasig
W3...dreiphasig
• Dimmer
• Drehzahlregler für 1Phasenwechselstrommotoren
• Sanftanlaufschaltung für Asynchronmotoren (W3)
• Der häufigste Wechselstromsteller ist eine Phasenanschnittssteuerung:
z.B. Dimmer:
N
Si
flink
L S
R
U ~
C S
C
L
Ls ………… Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
Ls, Cs …… LC Tiefpass um Störungen zu filtern
R, C …….. Schutzbeschaltung für Triac
i
α
λ
t
Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die
Schwingungspaketsteuerung. Dabei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet,
wodurch keine Schaltflanken auftreten.
i T
t ein t aus
Tastverhältnis:
t
Da der Mittelungszeitraum hier höher ist, als bei der Phasenanschnittssteuerung, ist die
Schwingungspaketsteuerung nur für träge System geeignet, z.B. Heizung.
Neben Wechselstromsteller werden Triacs auch als Wechselstromschalter verwendet, um
herkömmliche mechanische Schaltkontakte (z.B. Relais) zu ersetzen => Halbleiterrelais (Solid State
Relais)
Halbleiterrelais:
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Leistungs-MOSFET
Verwendung:
R L
+U B
u ~
Isolationsspannungen > 2kV
Da der Phototriac nur sehr kleine Ströme schalten kann (

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IGBT
Aufbau
4.1 Aufbau
selbstsperrender MOSFET
Siemens Leistungs MOSFET
S
G
+ +
D
S
G
N + - - - - - N +
Kanal
P
Elektronen
Kanal N -
N +
D
SiO 2
(Isolierschicht)
D
P
N + N +
C GD
N +
D
P
SiO 2
(Isolierschicht)
PN Übergang
G
S
Leistungsmosfet besitzen eine vertikale Struktur. Dadurch ist es möglich auf einem Chip viele
Einzeltransistoren parallel zu schalten, und damit einen R DSon von kleiner 1Ω zu realisieren. Um den
FET zu Schalten wird eine U GS von 10-15V benötigt. Die Ansteuerung soll immer über eine
Gegentaktendstufe erfolgen.
G
C GS
S
....für schnelles Schalten
Die Kapazitäten des MOSFET bilden zusammen mit dem Kollektorwiderstand ein RC-Glied,
das den Einschaltvorgang verlangsamt und damit die Verlustleistung des Transistors erhöht. Um
kurze Schaltzeiten zu erreichen, verwendet man Gegentaktansteuerung. Es können auch Ausgänge
von CMOS-ICs verwendet werden z.B. 4049 (6-fach Inverter).
Um den Strom zu erhöhen können mehrere MOSFETs parallel geschalten werden. Sollten parasitäre
Schwingungen auftreten, so sind Gatevorwiderstände (10-20Ω) vorzusehen.
Die Entwicklung bei den Leistungsmosfets geht in Richtung intelligente Halbleiter (smart power
devices). Derartige Bausteine enthalten TTL kompatible Ansteuerlogik, Temperatur und
Stromüberwachung, Ladungspumpen für Highsideansteuerung, Diagnoselogik usw.
5 IGBT
IGBT …. Insulated gate bipolar transistor
Der IGBT ist spannungsgesteuert.
Der Nachteil des MOSFET ist der für sehr große Ströme immer noch zu hohe R DSon was zu sehr großen
Verlustleistungen führt. Dies hat zur Entwicklung des IGBT geführt. Jener besitzt im Gegensatz zum
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IGBT
Aufbau:
MOSFET eine zusätzliche P-Schicht auf der Drainseite, wodurch eine Struktur eines PNP-Transistors
entsteht. Der N-Kanal wirkt nun als Basis des Transistors.
5.1 Aufbau:
S
G
P
N + N +
P
SiO 2
D
N-Kanal
P +
N
5.1.1 Ersatzschaltung:
D (=C)
G
S = (E)
5.1.2 Schaltsymbol:
C
G
E
Daher wirkt die Schaltung wie ein Komplementär-Darlington-Transistor
Die Ansteuerung erfolgt wieder wie beim MOSFET mit einer Gegentaktendstufe. Mit IGBT können
Spannungen bis zu 1400V und Ströme bis zu 100A pro Transistor geschalten werden.
C
G
Parasitärer Thyristor
S = (E)
Der IGBT muss gegenüber Stromüberlastung geschützt werden, da die Schichtfolge einen parasitären
Thyristor bildet der zünden kann, wobei kein Abschalten mehr möglich ist.
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