Halbleiterschalter - Antriebstechnik Fh Stralsund De

Schalter für leistungselektronische Schaltungen
Die Bauelemente müssen für hohe Sperrspannungen und für niedrige Durchlaßspannungen und geringe Schaltverluste sowie für gute Wärmeabfuhr ausgelegt sein.
Dioden: Der Strom in Vorwärtsrichtung wird durch Elektronen und Löcher getragen (bipolares Bauelement).
Der Strom muß einen pn-Übergang überqueren, daher hat die Diode wie alle bipolaren Bauelemente
eine Schwellspannung. Die Raumladung der Elektronen und die der Löcher kompensiert sich im
Durchlaßfall weitgehend, die Leitfähigkeit ist bei Überschreiten der Schwellspannung sehr hoch. In Rückwärtsrichtung sperrt die Diode. Für den Betrieb bei Netzfrequenzen wird eine hohe Trägerlebensdauer (für
niedrigsten Spannungsabfall) angestrebt; für höhere Frequenzen wird die Trägerlebensdauer gezielt reduziert,
damit die Speicherladung klein wird.
Sonderformen:
Fast Recovery Epitaxial Diode (FRED): Kurze Raumladungszone und reduzierte Trägerlebensdauer ergeben
eine geringe Speicherladung; für besonders geringe Schaltverluste.
Schottky Dioden: Metall-Halbleiter-Übergang; mit sehr niedriger Schwellspannung und vernachlässigbarer
Speicherladung; daher geringe Durchlaß- und geringste Schaltverluste; die Sperrspannung ist max. 200 V
Bipolartransistoren (BTR): Es tragen Elektronen und Löcher zum Stromfluß bei. Wegen der hohen Elektronenbeweglichkeit werden nur
n
p
n
Emitter
Collektor
npn-Transistoren verwendet. BTR können in Vorwärtsrichtung
E
leiten und sperren. In Rückwärtsrichtung können sie weder leiBasis
ten noch sperren. Die hohe Ladungsträgerdichte im eingeschalteten Fall ermöglicht hohe Stromdichten, aber die hohe Speicherladung begrenzt den Betriebsfrequenzbereich auf < 10
kHz. Diese Dimensionierung ergibt eine geringe Stromverstärkung (ca. 10). Ein vorgeschalteter, integrierter
Treibertransistor (Darlingtonschaltung) verbessert die Stromverstärkung auf ca. 100.
C
B
Leistungs-MOSFET: Es tragen nur Elektronen zum Stromfluß bei (unipolares Bau-
Source
Gate
element). Wegen der besseren Elektronenbeweglichkeit werden nur nKanal MOSFET eingesetzt. Sie sperren und leiten in Vorwärtsrichtung.
S
Da nur eine Ladungsträgersorte vorhanden ist, gibt es praktisch keine
Speichereffekte und die Schaltfrequenz ist sehr hoch (MHz).. Der parasitäre pnÜbergang kann als Reversdiode genutzt werden, wenn sie für geringe Speicherladung
dimensioniert ist. Wird der Kanal auch bei negativer Drainspannung eingeschaltet,
kann er ebenfalls Strom in der Rückwärtsrichtung führen.
Neuentwicklungen nutzen die MOS-Technologie zur Integration von Ansteuerfunktionen sowie Schutz- und
Überwachungsaufgaben wie Überstrom, Überspannung, Übertemperatur.
D
G
n+
p
n
n+
Drain
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT): Die Steuerung erfolgt durch einen MOS-Kanal wie beim
C
G
E
MOSFET. Ein zusätzlicher p-Emitter als Anode ermöglicht, daß der Strom durch Elektronen und
Löcher geführt wird. Er besitzt eine Schwellspannung und hat eine Speicherladung beim Abschalten; verhält sich also wie ein MOS-gesteuerter bipolarer Transistor.
Thyristoren: Zwei Transistoren in einer Siliziumscheibe sind so verschaltet,
n-Emitter
Katode
Basis
p-Emitter
Anode
daß sie sich gegenseitig den notwendigen Steuerstrom liefern
können. Zum Einschalten (in Vorwärtsrichtung) ist nur ein
G
einmaliger kurzer Zündimpuls notwendig. Um der Zündung
Gate
Zeit zum Ausbreiten über die Thyristorfläche (bis zu 100 cm2)zu geben, muß
die Stromsteilheit di/dt beim Einschalten begrenzt werden. Abgeschaltet kann der Thyristor werden nur durch
eine externe Stromunterbrechung. Nach der sogenannten Freiwerdezeit sperrt er auch wieder bei positiver Anodenspannung. Aufgrund der hohen Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern kann die Stromdichte
extrem hoch sein (> 100 A/cm2), aber auch die gespeicherte Ladung ist sehr hoch. Dies kann zu Überspannungen beim Abschalten führen. Der Thyristor kann in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung sperren. Aufgrund der internen Rückkopplung ist der Thyristor empfindlich gegen zu schnelle positive Spannungsanstiege
(du/dt). Dagegen und gegen Überspannungen wird eine sog. TSE-Beschaltung parallel zum Thyristor geschaltet.
A
K
Abschaltthyristoren (GTO-Thyr.): Dieser Thyristor besteht aus der Parallelschaltung vieler (hunderte bis
tausende) kleiner Teilthyristoren. Durch einen gemeinsamen negativen Gateimpuls kann zum
gleichen Zeitpunkt jeder Teilthyristor ausgeschaltet werden. Während des Abschaltvorganges
G
darf die Sperrspannung nicht zu schnell in positiver Richtung angsteigen. Diese Begrenzung des
du/dt-Wertes wird durch einen Beschaltungskondensator parallel zum GTO erreicht (RCD-Beschaltung). Je
nach Bauweise gibt es GTO-Thyristoren mit und ohne Rückwärtssperrfähigkeit.
A
K
Eigenschaften der wichtigsten Halbleiterschalter für die Leistungselektronik
Netzdiode
Schnelle Diode
FRED
Schottky-Diode
Stromtransport
Leitfähigkeitschar.
Schwellspannung
Diff. Widerstand
Stromdichte
Strombereich
Sperreigensch.
Elektr.+Löcher
bipolar
0,7 V
Sehr klein
> 100 A/cm2
1 - 3000 A
Elektr.+Löcher
bipolar
0,8 V
klein
bis 100 A/cm2
1 - 3000 A
Elektr.+Löcher
bipolar
0,8 V
klein
30 A/cm2
1 - 500 A
Elektronen
unipolar
0,3 V
klein
20 A/cm2
1 - 100 A
Blockierspannung
Sperrspannung
Schalteigensch.
0V
6000 V
0V
4000 V
0V
2000 V
0V
200 V
groß
groß
1 kHz
150 – 200 oC
mittel
mittel
10 kHz
150 oC
klein
klein
100 kHz
150 oC
keine
sehr klein
1 MHz
125 oC
Durchlaßeigensch.
Speicherladung
Schaltverluste
max Betriebsfrequenz
Max. Sperrschichttemperatur
Bip. Trans.
MOSFET
IGBT
Netzthyristor
Strom
Spannung
Spannung
Diode
Kapazität
Kapazität
Stromtransport
Leitfähigkeitschar.
Schwellspannung
Diff. Widerstand
Stromdichte
Strombereich
Sperreigensch.
Elektr.+Löcher
bipolar
0,5 V
mittel
30 A/cm2
1 - 500 A
Elektronen
unipolar
0V
groß
20 A/cm2
1 - 200 A
Blockierspannung
Sperrspannung
Schalteigensch.
1400 V
0V
1000 V
0V
3500 V
0V
8000 V
8000 V
4500 V
4500 V
4500 V
0 (4500) V
Speicherladung
Schaltverluste
max Betriebsfrequenz
Max. Sperrschichttemperatur
mittel
mittel
30 kHz
150 oC
keine
sehr klein
1 MHz
150 – 200 oC
klein
klein
30 kHz
175 oC
groß
groß
100 Hz
125 oC
mittel
mittel
5 (30) kHz
125 oC
mittel
mittel
5 kHz
125 oC
Steuerung
Eingangscharakter
Strom
Frequenzthyristor
Strom
GTOThyristor
Strom
Diode
Diode
Diode
Durchlaßeigensch.
Elektr.+Löcher Elektr.+Löcher Elektr.+Löcher Elektr.+Löcher
bipolar
bipolar
bipolar
bipolar
0,5 V
1 bis 2 V
1,5 bis 2 V
2 bis 4 V
mittel
Sehr klein
klein
klein
2
2
2
30 A/cm
> 100 A/cm bis 100 A/cm bis 100 A/cm2
10 - 1500 A
10 - 3000 A
10 - 3000 A 100 - 3000 A
Gehäusebauformen von Leistungshalbleiterschaltern:
Leiterplattenbauelemente:
Strom-/Spannungsbereich: bis 10 A / 1000 V (Impulsströme bis ca. 50 A)
Bauformbezeichnungen: TO 3, TO 204, TO 218, TO 220 usw.
Eigenschaften: Anschlüsse lötfähig, Kühlanschluß meist nicht isoliert, Kühlung durch Luft, evtl. mit Kühlfahnen.
Modulbauelemente:
Strom-/Spannungsbereich: 10 -1000 A / 300 - 2500 V
Eigenschaften: Schraubanschlüsse, Wärmeabfuhr über Metallboden (einseitige Kühlung) und meist isoliert, häufig zwei oder mehr Schalter in einem Gehäuse (z. B. zwei Transistoren, Thyristoren, alle Dioden und Transistorchips für einen kompletten Gleich- und/oder Wechselrichter). Neue Module („Intelligent Power Moduls“)
enthalten auch Ansteuer- und Überwachungselektronik.
Schraubbauelemente
Strom-/Spannungsbereich: 20 -1000 A / 300 - 2500 V
Eigenschaften: Einseitiges Schraubgewinde als Anoden- (Katoden-) anschluß und als Wärmeabfuhr, also nicht
isolierte, einseitige Wärmeabfuhr, Zweiter Anschluß als Litze mit Öse ausgeführt. Alte, aber sehr preiswerte
Bauform für Thyristoren und Dioden.
Scheibenbauelemente:
Strom-/Spannungsbereich: 200 -4000 A / 600 - 8000 V (Spezialanwendungen bis 10 kV)
Eigenschaften: beidseitige Kupferstempel zur Stromzuführung und nichtisolierte Wärmeabfuhr; damit beidseitige
Kühlung möglich. Wird im Höchstleistungsbereich eingesetzt.
A1, C1
G1, B1
AK, CE
G2, B2
K2, E2
Modul mit kompletter
Wechselrichterschaltung