Der Thyristor Der konventionelle bipolare Transistor hat die Zonenfolge npn bzw. pnp. Durch Hinzufügen einer weiteren Zone ergibt sich die Folge npnp. Ein solches Element heißt Thyristor und wird in der Leistungselektronik als Hochstromschalter eingesetzt. Der Name Thyristor ist eine Zusammensetzung aus den Begriffen Thyratron und Transistor. Im angelsächsischen Sprachraum ist auch die Abkürzung SCR (Silicon Controlled Rectifier) üblich. Der Thyristor besitzt zwei stabile Zustände, von denen einer hochohmig und der andere niederohmig ist. Über einen Steueranschluss, der als Gate-Elektrode bezeichnet wird, erfolgt das Umschalten vom hochohmigen auf den niederohmigen Zustand.

Der Thyristor ist ein einschaltbares, unidirektionales Bauelement. Schaltzeichen:

In enger Analogie zur Diode wird der Anschluss an der p-Zone Anode (A) genannt, der Anschluss an der n-Zone heißt Kathode (K) und der Steueranschluss wird als Gate (G) bezeichnet.

Abb.1a: Prinzipielle Schnittzeichnung eines Abb.1b: Ersatzschaltbild eines

Thyristors Thyristors Die vier unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen lassen sich im Ersatzschaltbild als Zusammenschaltung eines npn- und eines pnp-Transistors interpretieren. Hierbei sind die Transistoren so zusammengeschaltet, dass jeweils der Kollektorstrom des einen gleichzeitig der Basisstrom des anderen Transistors ist. Es liegt demnach ein extrem stark rückgekoppeltes System vor. Solange kein Basisstrom fließt, befindet sich der Thyristor im gesperrten Zustand. Besitzt die Anode positives Potential gegenüber der Kathode, so ist die Diodenstrecke D2 in Abb.1a gesperrt und D1 und D3 sind in Durchlassrichtung gepolt. Am Thyristor fällt die Vorwärtsspannung UD ab und es fließt ein kleiner Vorwärts-Sperrstrom ID, der im µA-Bereich liegt. Bei Hochleistungsthyristoren kann der Vorwärts-Sperrstrom allerdings auch einige mA betragen.

In Vorwärtsrichtung fließt bis zum Zünden lediglich ein kleiner Sperrstrom durch den Thyristor. Er wird in Datenblättern mit ID angegeben.

Der Vorwärts-Sperrstrom ist von Bedeutung, wenn es beispielsweise darum geht, mehrere Thyristoren zwecks Erreichung einer höheren Sperrspannung in Serie zu schalten. Um eine gleichmäßige Potentialaufteilung zu erreichen, ist ein Spannungsteiler parallel zu den Thyristoren erforderlich. Hierbei ist zu beachten, dass der Strom durch die Widerstände größer ist als der maximal auftretende Vorwärts-Sperrstrom ID. Mehrere in Serie geschaltete Thyristoren werden auch als Stack bezeichnet.

Abb.2: Zur gleichmäßigen Potentialaufteilung bei einer Serienschaltung von Thyristoren. Wird ein bestimmter Wert der Vorwärts-Sperrspannung UD überschritten, wechselt der Thyristor, ohne das Vorliegen eines Impulses am Gate, vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand. Allgemein wird ein solches unerwünschtes Durchsteuern als Überkopfzünden bezeichnet und die Spannung, bei der dieses Phänomen auftritt, heißt Nullkippspannung UD0. Ein Überkopfzünden führt zwar nicht unbedingt zu einer Zerstörung des Thyristors, ist aber nicht der betriebsmäßig gewünschte Zustand.

Ein Überschreiten der Vorwärts-Sperrspannung UD0 führt zum ungewollten Zünden des Thyristors.

Im eigentlichen Betrieb soll der Thyristor durch das Gate eingeschaltet werden. Fließt bei positiver Anodenspannung ein Steuerstrom IG in den Steueranschluss, dann fließt ein Kollektorstrom durch T2 in Abb.1b. Dieser Strom wird T1 als Basisstrom zugeführt und dessen Kollektorstrom ist wiederum der Basisstrom von T2. Als Folge dieses rückgekoppelten Systems fließt so lange ein Strom von der Anode zur Kathode, wie dieser Kreislauf sich selbst erhalten kann. Dazu muss die Stromverstärkung der Transistoren T1 und T2 die folgende Bedingung erfüllen:

.121 >ββ (1)

Damit der Thyristor nach Abklingen des Gatestromes durchsteuert, muss der so genannte Einraststrom IL (Latching Current) in Durchlassrichtung fließen.

Abb.3: Typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors. Ein gezündeter Thyristor ist von Ladungsträgern überschwemmt und lässt sich über den Gateanschluss nicht mehr abstellen. Er bleibt so lange niederohmig, bis der Durchlassstrom einen Mindestwert, den Haltestrom, IH unterschreitet. Dann ist die Bedingung

121 <ββ , (2)

erfüllt, so dass der Thyristor in den hochohmigen Zustand zurückkippt. Die Sperrschichtladungsträger werden ausgeräumt und die mittlere Sperrschicht (Diodenstrecke D2 in Abb.1a) wird wieder aufgebaut. Die hierfür erforderliche Zeit wird Freiwerdezeit tq genannt und wird in den zughörigen Datenblättern aufgeführt. Thyristoren sind sehr robuste, zuverlässige und weit entwickelte Bauelemente der Leistungselektronik. Da die Herstellung von Thyristoren nicht viel aufwendiger ist als die von Gleichrichtern für entsprechende Spannungen und Ströme, ist ihre Anwendung besonders wirtschaftlich. Die Einsatzgebiete von Thyristoren finden sich vor allem dort, wo es darauf ankommt sehr hohe Ströme bis weit in den kA-Bereich bei Sperrspannungen von mehreren kV zu schalten. Für noch höhere Spannungen (bis 100kV) werden Thyristor-Stacks (engl. Thyristor-Block, eine Serienschaltung mehrerer Thyristoren) verwendet. Leistungselektronik:

• Gesteuerte Netzgleichrichter • Leistungsregelung • Motorsteuerung • Elektronische Zündeinrichtungen

• Schwingkreis-Wechselrichter Hochleistungsimpulstechnik:

• Plasmaanregung • Pinchentladungen (z-Pinch und θ-Pinch) • Erzeugung gepulster Magnetfelder • Explodierende Drähte (exploding wire technology) • Hochspannungsimpulse (Marx Generator) • Ansteuerung von Kicker-Magneten • Überspannungsschutz

Die folgende Zusammenstellung gibt die wichtigsten Kenngrößen an, die normalerweise in Datenblättern zu Thyristoren angegeben sind. Sie müssen bei der Auslegung von Thyristorschaltungen stets berücksichtigt werden. UDRM Maximale Vorwärtsspannung (repetitiv) UDSM Maximale Vorwärtsspannung (nicht repetitiv) URRM Maximale Sperrspannung (repetitiv) URSM Maximale Sperrspannung (nicht repetitiv) IT Mittlerer Durchlassstrom ITSM Spitzenimpulsstrom I²t Grenzlastintegral (dI/dt)cr Kritische Stromanstiegsrate URGM Maximale Sperrspannung an der Gateelektrode PG(av) Maximal zulässige Verlustleistung der Gateelektrode PGM Maximal zulässige Impulsleistung an der Gateelektrode UGD Größte zulässige Gatespannung die keine Triggerung verursacht UTM Maximale Durchlassspannung im eingeschalteten Zustand rs Durchgangswiderstand im eingeschalteten Zustand IDRM Maximaler Sperrstrom in Vorwärtsrichtung UGT Triggerspannung an der Gateelektrode IGT Triggerstrom

Aktiver Überspannungsschutz mit Thyristor Ein weites Anwendungsgebiet für den Thyristor findet sich beim Überspannungsschutz von elektronischen Schaltungen. Prinzipiell wird hierbei ein, beispielsweise durch Netzstörungen verursachter Überspannungsimpuls, durch eine entsprechende Schaltung gegen Erdpotential abgeleitet. Im angelsächsischen Sprachraum sind solche Schaltungen als clamp (Klemme, Zwinge, Bügel) oder crowbar (Brecheisen) bekannt. In Abb.4 ist die einfache Umsetzung einer solchen Schaltung dargestellt.

Abb.4: Crowbar-Schaltung mit Darstellung des Eingangsimpulses Ui und des Ausgangsimpulses Ua. Die Funktionsweise der Schaltung lässt sich wie folgt beschreiben:

Zum Zeitpunkt t0 tritt ein Überspannungsimpuls, der oberhalb der Z-Spannung der Zenerdiode Z liegt, an den Eingang A. Bevor der Kondensator C über die Diode D und den Widerstand R2 auf die Spannung U0 aufgeladen wird, geht die Zenerdiode in den niederohmigen Zustand über. Daraufhin gelangt ein positiver Spannungsimpuls an die Gateelektrode des Thyristors Th. Als Folge davon wird der Thyristor Th niederohmig und der Störimpuls wird gegen Erdpotential abgeleitet. Ist die Summe der Schaltzeiten der Zenerdiode tz und des Thyristors tTh kleiner als die Zeitkonstante RC, dann ergibt sich keine nennenswerte Änderung der Ausgangsspannung Ua.

CRtt ThZ 2<<+ .

Um eine schnelle Reaktionszeit der Schaltung zu gewährleisten, müssen Bauelemente mit sehr kleinen Schaltzeiten verwendet werden. Dies gilt im besonderen Maße für die Zenerdiode. Ferner muss die Zenerdiode den für ein rasches Zünden des Thyristors erforderlichen Gatestrom bereitstellen. Für den Thyristor gilt als Bemessungsgrundlage eine hohe Stromanstiegsrate und eine kleine Zündverzugszeit tg.

Abb. 5: Leistungsthyristor für eine Crowbar-Schaltung.

Phasenanschnittssteuerung Die Steuerung und Umformung elektrischer Energie auf der Grundlage von Schaltvorgängen wird Leistungssteuerung genannt. Als steuerbare Schaltelemente kommen hierbei Thyristoren zum Einsatz. Ein Impulssteuergerät liefert netzsynchrone Zündimpulse an das Gate, die sich zeitlich gegen den Nulldurchgang der Wechselspannung verschieben lassen. Der Thyristor wird hierbei nur während der positiv gerichteten Halbwelle gezündet. In Abb.6 ist das Prinzip einer solchen Leistungssteuerung am Verbraucher RL gezeigt.

Abb.6: Prinzip der Leistungsregelung an einem Verbraucher RL durch Phasenanschnitt. Der zugehörige Phasenanschnitt wird durch den so genannten Zündwinkel α beschrieben. Zum stromführenden Teil der Halbwelle gehört der Stromflusswinkel β. Bei jedem Nulldurchgang des Stromes wird der Thyristor gelöscht. Durch zeitliches Verschieben der Steuerimpulse kann man den Mittelwert des Verbraucherstromes verändern.

Bei der Phasenanschnittssteuerung sind Spannung und Strom am Verbraucher keine durchgehenden Sinuswellen, sondern von jeder Welle fehlt der Anfang. Durch Verschieben des Anschnittpunktes lässt sich das Produkt aus U und I am Verbraucher ändern, was gleichbedeutend mit einer Leistungssteuerung ist.

Man steuert nach diesem Prinzip Wärmeleistungen von Öfen, Drehzahlen von Elektromotoren, Helligkeiten von Lampen (Dimmer) und von anderen Einrichtungen, die aus

dem Wechselstromnetz betrieben werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass sich mit relativ wenig Aufwand große Leistungen steuern lassen. Nicht benötigte Leistung braucht nicht in einem Vorwiderstand in Verlustwärme umgewandelt zu werden. Um auch die negative Halbwelle in Abb.6 zur Leistungssteuerung heranzuziehen, ist lediglich ein zweiter antiparallel verschalteter Thyristor erforderlich.

Abb.7: Power-Pack (D2-Pack) bestehend aus zwei Leistungsthyristoren, die sich antiparallel für eine Phasenanschnittssteuerung verschalten lassen.

Thyristorschaltung für Impulsanwendungen Die folgende Abb.8 zeigt den typischen Aufbau einer Thyristorschaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen.

Abb.8: Thyristorschaltung zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit Hilfe eines RCL-Kreises. Die Schaltung in Abb.8 ist in der Hochleistungs- und Impulstechnik (Pulsed Power) weit verbreitet und wird unter anderem auch zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen bei Zündkerzen oder zur Erzeugung von Pinch-Plasmen verwendet. Mit dieser Schaltung lassen sich Impulse von bis zu 100kV und Spitzenimpulsströme von über 10kA bei Stromanstiegsraten von 1kA/µs erzeugen. Bei einer stark induktiven Last ist eine Freilaufdiode parallel zum Thyristor erforderlich um ein Durchschwingen des Resonanzkreises zu gewährleisten. Die Funktionsweise der Schaltung wird im Folgenden erklärt:

Der Kondensator C0 wird über einen Ladewiderstand Rl auf die Spannung U0 aufgeladen. Nach dem Ladevorgang, ist im Kondensator eine Energie von

W C UC0

1

2 0 02= ,

gespeichert. Bei Bedarf wird der Thyristor durch einen Spannungsimpuls an die Gate-Elektrode gezündet. Der Thyristor Th geht in den niederohmigen Zustand über und bildet zusammen mit dem Kondensator C0, der Induktionsspule L0 und dem ohmschen Widerstand R0 einen Serienresonanzkreis. Durch den sich anschließenden Entladevorgang kommt es zum Entstehen einer gedämpften Schwingung, die so lange andauert, bis sich die im Kondensator gespeicherte Energie in ohmsche Verlustwärme umgewandelt hat. Die Transformatorkopplung mit der Sekundärspule Lsec sorgt für eine entsprechende Transformation der Spannung am Ausgang des Sekundärkreises. Beim unterschreiten des Haltestroms sperrt der Thyristor wieder und der Kondensator kann über den Ladewiderstand aufgeladen werden.

In der Regel sind die Ladespannung, sowie die Kondensatorkapazität und die Eigeninduktivität des zugehörigen Kreises vorgegeben bzw. bekannt. Daraus ergeben sich sofort die maximal möglichen Werte für den Impulsstrom und dessen Anstiegsrate. Die Kenntnis der im Kreis auftretenden Maximalwerte von Strom, Spannung und Stromanstiegsrate ist wichtig zur Auswahl der passenden Schaltelemente. Wird die Schaltung beispielsweise mit einem Thyristor oder einem Thyristor-Stack aufgebaut, dann muss dieser auch die auftretenden Spitzenwerte der elektrischen Größen verkraften können. Das für die Schaltung vorgesehene aktive Bauelement lässt sich dann auf Grund dieser Vorgaben aussuchen.

Maximaler Spitzenstrom und Anstiegsrate im Kreis:

IC

LU

IU

L

max

maxɺ

≈

≈

0

0

0

0

0

Bisher wurde lediglich der einfache LCR-Kreis behandelt. Fungiert die Induktivität L0 als Induktionsspule, dann verändert sich durch die Transformatorkopplung die Eingangsimpedanz des Kreises. Bei einer guten Kopplung zwischen der Induktionsspule und der Sekundärspule, führen die ohmschen Verluste im Lastwiderstand des Sekundärkreises zu einer weitaus stärkeren Dämpfung, als dies ohne die Anwesenheit eines Sekundärkreises der Fall ist. Die folgende Abbildung zeigt das Äquivalenzschaltbild unter Berücksichtigung der Transformatorkopplung.

Abb.9: Veränderung der Eingangsimpedanz der Schaltung nach Abb.8 durch die Anwesenheit eines dämpfenden Lastwiderstands RL. Prinzipiell lässt sich die Dynamik des Kreises mit dem Formalismus für RCL-Kreise beschreiben. Die Eingangsreaktanz und der Eingangswiderstand transformieren sich allerdings nach den aus der Transformatortheorie bekannten Gesetzmäßigkeiten.

Transformation der Eingangsimpedanz bei Transformatorkopplung:

ω ωL L k

R R k ü RL

0 02

0 02 2

1→ −

→ +

c h (bei hohen Frequenzen)

Die zeitliche Dynamik der elektrischen Größen wird weiterhin durch die Gleichungen für den gedämpften Schwingkreis beschrieben. Allerdings ist die Transformation der Eingangsreaktanz und des Eingangswiderstands gemäß der Transformatortheorie zu beachten. Für die Elektronik-Vorlesung wurde ein Versuch mit einer Thyristorschaltung aufgebaut. Hierbei handelt es sich prinzipiell um die Realisierung der in Abb. 8 gezeigten Schaltung zur Erzeugung eines 10kV Hochspannungsimpulses. Die maximale Ladespannung der Kondensatoren lag bei 1000V.

Abb.10: Versuchsaufbau einer Zündschaltung für die Vorlesung, mit Kapselthyristor und antiparalleler Diode. Ein Beispiel soll an dieser Stelle ein Maß für die Größenordnungen vermitteln, die die elektrischen Größen hier annehmen können. So wurde für den Vorlesungsversuch eine Induktionsspule mit einer Induktivität von L0=1,9µH verwendet. Die zugehörige Kondensatorbank hatte eine Kapazität von C0=50µF und konnte auf eine maximale Spannung von U0=1000V aufgeladen werden. Gemäß der Theorie gilt:

νπ

π

0

0 0

6 5

1

2

1

2 1 9 10 5 10

16 3

=

=⋅ ⋅ ⋅

=

− −

L C

H F

kHz

,

,

Vergleicht man mit den experimentell ermittelten Werten in Abb. 11 dann ergibt sich eine Schwingfrequenz von rund 16kHz.

Abb. 11: Verlauf des Stromes und der Spannung im Primärkreis der Zündschaltung aus Abb. 10 bei einer Ladespannug von 450V. Der gemessene Strom lässt sich nun mit dem aus der theorie der Resonanzkreise zu erwartenden Maximalwert vergleichen. Es gilt:

IC

LU

F

HV

kA

max

,

,

=

= ⋅

=

0

0

0

50

1 9450

2 3

µ

µ

Das Ergebnis stimmt sehr gut mit der Messung in Abb. 11 überein. Die Theorie liefert somit für die praktische Konzeption solcher Schaltungen und der Auslegung der Bauelemente äußerst gute Werte. Ganz analog lässt sich auch die Spitzenamplitude des Primärkreisstroms bei einer Ladespannung von 1000V abschätzen und mit dem experimentell ermittelten Wert in Abb. 12 vergleichen.

IC

LU

F

HV

kA

max

,

,

=

= ⋅

=

0

0

0

50

1 91000

5 1

µ

µ

Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit dem maximalen Stromverlauf in Abb. 12. Die Dämpfung des kreises ist hier wesentlich stärker, weil durch die hohe Sekundärspannung eine Gasentladung initiiert wird, die bedingt durch ohmsche Verluste über die Transformatorkopplung den Strom im Primärkreis stark dämpft.

Abb. 12: Verlauf des Stromes und der Spannung im Primärkreis der Zündschaltung aus Abb. 10 bei einer Ladespannug von 1000V.