Spis treści:
- 1 Thyristoren - Einfachwirkende elektrische Ventile
- 2 Thyristoren - Überblick
- 3 Was ist ein Thyristor?
- 4 Thyristor-Anwendungen
- 5 Aufkommen von Thyristoren in der Elektronik
- 6 Funktionsweise eines Thyristors - schematische Darstellung
- 7 Thyristor-Symbol auf Schaltplänen
- 8 Halbleiterstruktur des SCR-Thyristors
- 9 GTO-Thyristoren
- 10 Halbleiterstruktur von GTO-Thyristoren
- 11 Funktionsprinzip des GTO-Thyristors
- 12 Technische Merkmale von Thyristoren
Halbleiterkomponenten und -bauelemente sind für die Entwicklung von elektronischen Schaltungen mit niedrigem Stromverbrauch und hohen Strömen unerlässlich. Lernen Sie Thyristoren kennen!
Thyristoren - Einfachwirkende elektrische Ventile
In diesem Artikel befassen wir uns mit Thyristoren, Halbleiterbauelementen, die wie elektrische Einwegventile funktionieren. Sie werden vor allem in Stromkreisen mit hohen Spannungen eingesetzt – von einigen hundert Volt bis hin zu mehreren zehn Kilovolt.
Thyristoren - Überblick
Thyristoren, auch als SCR (Silicon Controlled Rectifiers) bezeichnet, sind Halbleiterbauelemente, die in vielen Anwendungen zur Steuerung des elektrischen Leistungsflusses eingesetzt werden, häufig bei relativ hohen Strom- und Spannungswerten. Thyristoren können auch in Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch eingesetzt werden, z. B. zur Beleuchtungssteuerung und zum Schutz von Stromversorgungssystemen.
Sie sind einfach zu bedienen und günstig in der Anschaffung, was sie zu einer idealen Option für viele Schaltungen macht. Die Geschichte der Thyristoren geht auf das Jahr 1950 zurück und wurde von William Shockley, einem der Erfinder des ersten Transistor-Prototyps, eingeleitet.
Obwohl die Erforschung von Halbleiterbauelementen einige Jahre später von anderen Ingenieuren aufgegriffen wurde, dauerte es bis Anfang der 1960er Jahre, bis die Forschung aufgenommen wurde. In den 1970er Jahren wurden Thyristoren zunehmend verfügbar und in elektronischen Schalt- und Leistungssystemen eingesetzt.
Was ist ein Thyristor?
Der Thyristor kann als eine eher ungewöhnliche Form eines Halbleiterbauelements betrachtet werden, da er aus vier Schichten unterschiedlich dotierten Siliziums besteht und nicht aus drei herkömmlichen Schichten, wie es beispielsweise bei den bipolaren Transistoren der Fall ist. Während herkömmliche bipolare Transistoren eine p-n-p– oder n-p-n-Struktur mit Elektroden haben, die als Kollektor, Basis und Emitter bezeichnet werden, hat der Thyristor eine p-n-p-n-Struktur mit äußeren Schichten, deren Elektroden als Anode (p-Typ) und Kathode (n-Typ) bezeichnet werden. Der dritte Anschluss des Thyristors ist die Steuerelektrode, d. h. das Gate, das mit der p-Typ-Schicht neben der Kathodenschicht verbunden ist.
Thyristoren werden in der Regel aus Silizium hergestellt. Es ist aufgrund seiner allgemeinen physikalischen und elektrischen Eigenschaften die beste Wahl, da es den für Hochleistungsanwendungen erforderlichen Spannungen und Strömen problemlos standhalten kann.
Darüber hinaus hat es gute thermische Eigenschaften. Ein weiterer wichtiger Grund ist, dass die Siliziumtechnologie gut etabliert ist und in verschiedenen Halbleitergeräten weit verbreitet ist. Dadurch können die Halbleiterhersteller ihre elektronischen Bauteile sehr billig und einfach verwenden.
Thyristor-Anwendungen
Thyristoren werden in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt. Einige der häufigsten Verwendungszwecke sind:
- Steuerung der Stromversorgung von AC-Verbrauchern (einschließlich Beleuchtung, Motoren usw.);
- Überspannungsschutzvorrichtungen für Netzteile;
- Gleichrichter, die durch den Phasenwinkel ausgelöst werden (sog. Thyristor-Zündwinkel);
- Zündanlagen für Benzinmotoren;
- fotografische Blitzgeräte, bei denen Thyristoren als elektronischer Schalter fungieren, der die angesammelte Spannung über den Blitzkondensator entlädt und dann zum gewünschten Zeitpunkt abschaltet.
Aufkommen von Thyristoren in der Elektronik
Die Idee des Thyristors wurde erstmals von William Shockley im Jahr 1950 beschrieben. Er wurde als bipolarer Transistor mit einem p-n-Kollektor bezeichnet. Der Mechanismus des Vorgangs wurde 1952 von Jewell James Ebers analysiert. ImJahr 1956 untersuchte John Louis Moll den Schaltmechanismus des Thyristors. Die ersten Thyristoren kamen Anfang der 1960er Jahreauf den Markt, als Schaltkreise in Stromversorgungssystemen immer beliebter wurden. Das Unternehmen General Electric, das die Geräte vermarktete, verwendete für den Thyristor den Begriff“siliziumgesteuerter Gleichrichter” oder SCR, da er nur in eine Richtung leitete und steuerbar war. Das Unternehmen verwendete den Namen SCR als Markenzeichen für seine Produkte.
Funktionsweise eines Thyristors - schematische Darstellung
Das Prinzip des Thyristors unterscheidet sich von anderen Halbleiterbauelementen. Normalerweise fließt kein Strom durch den Thyristor (von der Anode zur Kathode). Wenn jedoch an der Anode eine ausreichend höhere Spannung als an der Kathode anliegt und ein kleiner Steuerstrom an das Gate angelegt wird, schaltet sich der Thyristor ein und beginnt zu leiten. Außerdem bleibt der Thyristor im leitenden Zustand, bis die Stromversorgung (Stromfluss von der Anode zur Kathode) unterbrochen wird. Vereinfacht ausgedrückt kann ein Thyristor als zwei miteinander verbundene Transistoren betrachtet werden (siehe Abb.). 1. Der Transistor, dessen Emitter mit der Kathode des Thyristors verbunden ist, ist ein n-p-n-Transistor, während der andere Transistor, dessen Emitter mit der Anode des Thyristors verbunden ist, ein p-n-p-Transistor ist. Das Gate hingegen ist mit der Basis des NPN-Transistors verbunden.
Wenn eine Spannung an den Thyristor angelegt wird, fließt kein Strom, da keiner der Transistoren leitend ist. Legt man jedoch eine Spannung an das Gate an, so fließt ein Strom in der Basis, was dazu führt, dass der n-p-n-Transistor eingeschaltet wird. Wenn der n-p-n-Transistor eingeschaltet wird, zieht er die Basis des p-n-p-TransistorsDadurch wird der Thyristor eingeschaltet, was wiederum Strom durch die Basis des n-p-n-Transistors schickt, so dass der Thyristor auch dann eingeschaltet bleibt, wenn die Gate-Spannung entfernt wird.
Thyristor-Symbol auf Schaltplänen
Der SCR-Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das viele Eigenschaften hat. Er hat drei Anschlüsse: Anode, Kathode und Gate, was die Technik eines thermoelektrischen Ventils oder einer Vakuumröhre in Triodenanordnung widerspiegelt. Das Gate ist der Steueranschluss, während der Hauptstrom zwischen Anode und Kathode fließt. Wie man sich anhand des Schaltsymbols in Abb. 2 vorstellen kann, handelt es sich bei dem Thyristor um ein Einwegventil, was zu der Bezeichnung GE siliziumgesteuerter Gleichrichter geführt hat. Daher wird der Thyristor bei Wechselstrom nur maximal für die halbe Periode der Grundschwingung arbeiten (bei einem 50-Hz-Netz wären dies 10 ms).
Während des Betriebs leitet der Thyristor zunächst keinen Strom. Um ihn auszulösen, muss eine Spannung an das Gate angelegt werden. Nach der Auslösung bleibt der Thyristor so lange im leitenden Zustand, bis die Spannung an Anode und Kathode weggenommen wird – dies geschieht natürlich am Ende der Halbperiode, in der der Thyristor leitet. Der nächste Halbzyklus wird durch den Gleichrichter blockiert. Zum Wiedereinschalten des Thyristors ist ein Strom im Gate-Schaltkreis erforderlich. Auf diese Weise kann der Thyristor als elektronischer Schalter verwendet werden.
Das in den Schaltplänen verwendete Thyristorsymbol (Abbildung 2) soll die Eigenschaften des Gleichrichters hervorheben und gleichzeitig das Steuergate zeigen. Das Thyristorsymbol entspricht daher einem herkömmlichen Diodensymbol mit einem Steuergate am Anoden-Kathoden-Übergang.
Halbleiterstruktur des SCR-Thyristors
Der Thyristor besteht aus einer vierschichtigen p-n-p-n-Struktur, deren äußere Schichten als Anode (p-Typ) und Kathode (n-Typ) bezeichnet werden. Das Steuerende des Thyristors wird als Gate bezeichnet und ist mit einer p-Typ-Schicht verbunden, die sich neben der Kathode befindet. Daher hat der Thyristor drei Anschlüsse.
Obwohl es viele verschiedene Thyristormaterialien gibt, ist Silizium das am häufigsten verwendete. Es bietet eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Spannungs- und Stromleistung. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verfahren für Silizium ausgereifter und daher billiger zu betreiben sind als die für andere Materialien wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Diamant (eine allotrope Variante des Kohlenstoffs) oder Galliumarsenid (GaAs) als Halbleitermaterial, das der Forschung zufolge vielversprechende Eigenschaften unter extremen Bedingungen wie hoher Leistung, hoher Temperatur und hoher Frequenz aufweist.
Der Grad der Dotierung ist in den verschiedenen Schichten des Thyristors unterschiedlich. Die Kathode ist am stärksten dotiert, während das Gate und die Anode etwas weniger dotiert sind. Die niedrigste Dotierung befindet sich in der zentralen n-Typ-Schicht, die dicker als die anderen Schichten ist – diese beiden Faktoren ermöglichen es, die hohe Sperrspannung zu bewältigen.
Aufgrund der sehr hohen Ströme und Leistungen, die einige Thyristoren schalten, sind die thermischen Parameter von größter Bedeutung. Die Anode des gesteuerten Thyristors ist in der Regel mit dem Gehäuse verbunden, da der Gate-Anschluss in der Nähe der Kathode liegt und separat angeschlossen werden muss. Dies geschieht so, dass die Wärme aus dem Silizium in das Gehäuse abgeleitet wird. Neben den internen Überlegungen müssen auch externe Maßnahmen zur Wärmeableitung für den Thyristor sorgfältig umgesetzt werden, da es sonst zu einer Überhitzung des Bauteils und zu einem dauerhaften Ausfall kommen kann. Viele der kleineren Thyristoren werden in Standardgehäusen der TO-Serie montiert, während die größeren Thyristoren viel größere Umrisse haben, aber für die Befestigung an einem Kühlkörper vorgesehen sind. Trotz ihrer Effizienz wird die Leistung als Wärme abgeleitet und muss nach außen abgeführt werden.
GTO-Thyristoren
Der Abschalt-Thyristor GTO (eng. Gate Turn-Off) basiert auf der grundlegenden Thyristortechnologie, kann aber durch eine Gate-Aktion abgeschaltet werden. Der GTO-Thyristor ist eine Variante der Standardform des Thyristors. Anstelle des Gates, das zum Einschalten des Thyristors im GTO verwendet wird, schaltet der Gate-Impuls den Thyristor aus dem leitenden Zustand aus. Die zusätzlichen Fähigkeiten des GTO-Thyristors ermöglichen den Einsatz in Anwendungen, für die ein Standard-Thyristor nicht geeignet wäre. Obwohl seine Möglichkeiten begrenzter sind, kann es in vielen speziellen Anwendungen eingesetzt werden. GTO-Thyristoren sind in einer Vielzahl von Bereichen nützlich, insbesondere in drehzahlvariablen Motorantrieben, Hochleistungsantrieben, Wechselrichtern und ähnlichen Bereichen.
Obwohl sie nicht so bekannt sind wie die Standard-Thyristoren, werden GTO-Thyristoren heute weithin eingesetzt, da sie viele der Nachteile der traditionellen Thyristoren überwinden können. Daher wird der GTO-Thyristor in praktisch allen statischen Hochspannungswandlern vom Typ DC/AC und DC/DC eingesetzt.
Der GTO-Thyristor wird durch einen “positiven Stromimpuls” zwischen Gate- und Kathodenanschluss eingeschaltet. Da sich die Gate-Kathode wie ein p-n-Übergang verhält, liegt zwischen den Anschlüssen eine relativ geringe Spannung an. Allerdings ist das Schaltphänomen in einem GTO nicht so zuverlässig wie das eines Standard-Thyristors – ein kleiner positiver Gate-Strom muss auch nach dem Einschalten aufrechterhalten werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Halbleiterstruktur von GTO-Thyristoren
Wie der Standardthyristor ist auch der GTO-Thyristor ein Halbleiterbauelement mit einer Vierschichtstruktur mit drei Übergängen. Die Schichten sind p-n-p-n, wobei die äußere p-Schicht die Verbindung zur Anode und die äußere n-Schicht die Verbindung zur Kathode herstellt.
Die Kathodenschicht ist stark dotiert, um eine hohe Emittereffizienz und einen n+-Bereich zu erreichen. Dies hat den Nachteil, dass der Übergang, der der Kathode am nächsten ist, eine niedrige Durchbruchspannung hat – typischerweise zwischen 20 V und 40 V. Der Grad der Dotierung der p-Fläche für das Gate ist abgestuft. Damit soll ein guter Emitter-Wirkungsgrad gewährleistet werden, für den die Dotierung niedrig sein sollte, während gleichzeitig gute Schalteigenschaften sichergestellt werden, für die eine hohe Dotierung erforderlich ist.
Die Gate-Elektrode ist häufig zwischen zwei Schichten eingebettet, um die Fähigkeit, den Strom abzuschalten, zu optimieren. Hochstromgeräte, d.h. 1000 A und mehr, können mehrere tausend Segmente haben, die an einen gemeinsamen Gate-Kontakt angeschlossen sind.
Ein weiterer wichtiger Parameter des GTO-Thyristors ist die maximale Sperrspannung (“Rückwärtsspannung”). Dies hängt von der Höhe der Dotierung und der Dicke des n-Typ-Basisbereichs ab. Da viele Geräte Sperrspannungen von einigen Kilovolt benötigen, muss die Dotierung in diesem Bereich auf einem relativ niedrigen Energieniveau gehalten werden.
Funktionsprinzip des GTO-Thyristors
Viele Aspekte eines GTO-Thyristors mit Gate-Abschaltung sind denen eines normalen Thyristors sehr ähnlich. Man kann sich das so vorstellen, dass ein p-n-p-Transistor und ein n-p-n-Transistor in einer regenerativen Konfiguration kombiniert sind, die das System beim Einschalten in diesem Zustand hält. In Abb. 3 wird ein Ersatzschaltbild des GTO-Thyristors gezeigt.
Wenn am Gate des GTO-Thyristors ein Potenzial angelegt wird, fließt kein Strom zwischen Anode und Kathode. Strom fließt nur, wenn die Spannung die Durchbruchsspannung übersteigt, und der Strom fließt aufgrund der Lawinenwirkung, aber dieser Modus wäre für den normalen Betrieb nicht wünschenswert.
In diesem Zustand ist der Thyristor in Durchlassrichtung negativ gepolt. Um den GTO-Thyristor einzuschalten, muss Strom in den Gate-Schaltkreis des Geräts eingespeist werden. Sobald dies geschehen ist, wird der p-n-p-Transistor im Diagramm eingeschaltet. Dadurch wird der Kollektor des Transistors auf die Emitterspannung heruntergezogen, die wiederum den anderen Transistor, den n-p-n, einschaltet. Die Tatsache, dass der p-n-p-Transistor nun eingeschaltet ist, sorgt dafür, dass Strom zur Basis des n-p-n-Transistors fließt, so dass dieser Rückkopplungsprozess sicherstellt, dass das Gate des Thyristors wie bei jedem anderen Thyristor eingeschaltet bleibt, wenn es ausgeschaltet wird.
Eine Schlüsselfunktion des Thyristors mit stromloser Gate-Elektrode besteht darin, dass er durch die Gate-Elektrode des Bauelements abgeschaltet werden kann. Die Deaktivierung des Bauelements wird durch eine negative Einstellung des Gates gegenüber der Kathode erreicht. Der Strom, der aus dem Basisbereich des n-p-n-Transistors fließt, verursacht einen Spannungsabfall an der Basis, der die Polarität des Übergangs umkehrt und so den Stromfluss im p-n-p-Transistor stoppt – dies wiederum stoppt den Strom, der in den Basisbereich des n-p-n-Transistors fließt, und verhindert so den Stromfluss im Transistor.
Was die Physik der Abschaltphase betrifft, so wurde festgestellt, dass sich der Strom während der Abschaltphase des GTO-Thyristors in den Stromfäden mit zunehmender Dichte in den am weitesten vom Gate-Bereich entfernten Bereichen drängt. Diese Bereiche mit hoher Stromdichte werden heiß und können zum Ausfall des Geräts führen, wenn der Strom nicht schnell abgeschaltet wird. Wenn der Stromfluss aufhört und die verarmten Schichten um die Übergänge zunehmen, geht der GTO-Thyristor wieder in den leitungsgebundenen Sperrzustand über. Obwohl der GTO-Thyristor Ähnlichkeiten mit einem Standard-Thyristor aufweist, besteht sein Hauptunterschied darin, dass er durch die Gate-Spannung abgeschaltet werden kann. Dies ermöglicht eine größere Leistungsfähigkeit des Geräts und den Einsatz des GTO-Thyristors in Anwendungen, in denen ein Standard-SCR-Thyristor nicht verwendet werden kann. Folglich ist der Thyristor mit stromlosem Gate ein nützliches Halbleiterbauelement für viele kundenspezifische Anwendungen.
Technische Merkmale von Thyristoren
Bei der Auswahl von Thyristoren für ein Projekt ist es wichtig, die wichtigsten technischen Parameter zu beachten, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Parametern von Thyristoren gehören:
- maximaler Anstieg des Stroms im leitenden Zustand des Thyristors (dI/dt);
- Gate-Trigger-Strom (IGT);
- maximaler Gatestrom (IGM);
- der Strom der Überstromsicherung, die auslöst, wenn der Strom für mehr als 10 ms überschritten wird (I2t);
- nominaler Durchschnittswert des Anoden-Kathodenstroms im leitenden Zustand (IT(AV));
- Nenn-Effektivwert des Anoden-Kathodenstroms im leitenden Zustand (IT(RMS));
- zulässiger einzelner Überstrom für eine maximale Zeit von 10 ms (ITSM);
- Temperatur des Anoden-Kathoden-Übergangs im leitenden Zustand (TJ);
- Lagertemperatur (TSTG);
- maximale Gate-Trigger-Spannung (VGT);
- maximale Spannung beim Abschalten des Thyristors (VDRM);
- maximale Verriegelungsspannung (VGRM).
