BE_II

- Halbleiterschalter für hohe Leistungen:
o Ersetzen einfache Schalter
o haben zwei Betriebszustände \(\to\) offen und geschlossen
o Umschaltzeiten im Bereich von μs
o Grenzwerte (Stand: 4 / 2003):
-- Sperrspannungen von 6500V – 8500V
-- Ströme in Bereich von mehreren kA, bei Durchlassspannungen von einigen Volt
-- höhere Spannungen und Ströme sind Reihen- bzw. Parallelschaltung erreichbar
o Im oberen Leistungssegment werden häufig Thyristoren, IGCT und IGBT s eingesetzt
o keine idealen Schalter \(\to\)Verluste
-- betragen ca. 0,5% der übertragenen Leistung
-- Durchlassverluste
-- Abschaltverluste

- Rückwärts oder Sperrbereich (1):
o Im Sperrbereich verhält sich die Thyristordiode wie eine herkömmliche Diode mit dem Rückwärtsstrom Irr
- Vorwärts – oder Durchlassbereich (2):
o bei steigender Spannung U_AK fließt nur ein kleiner Vorwärtssperrstrom Irv
- Durchlass – oder Haltespannung (3):
o Überschreitet U_AK die Zünd – oder Kippspannung U_Z (10...200V), wird die Vierschichtdiode leitend und die Spannung bricht auf die Durchlass- oder Haltespannung U_H (1... 2V) zusam-men
- Haltestrom (4):
o Oberhalb des Haltestromes I_H (einige mA), zeigt die Vierschichtdiode die Stromcharakteristik einer in Durchlassrichtung betriebenen normalen Diode
- Löschung: wird der Haltestrom unterschritten löscht die Vierschichtdiode wieder

- Sägezahngenerator
- Erzeugung von Trigger Impulsen

- Der Thyristor befindet sich bis zur positiven Sperrspannung U_D im sogenannten Blockier-zustand
- Der Thyristor kann durch erhöhen der Spannung (über U_D hinaus) durch eine sogenannte „Überkopfzündung“ geschaltet werden. Dieser Vorgang sollte im periodischen Betrieb vermieden und nur in Sonderfällen verwendet werden.

...

- an das Gate wird kurzzeitig die Spannung Ug von einigen Volt angelegt.
- Ug treibt in der Basis B1 des unteren Transistors T1 den Defektelektro-nenstrom I_B1
- dieser löst den Elektronenstrom I_E1 = ß1 *I_B1 ≈ I_C1 aus
- I_C1 fließt zur Basis B2 des Transistors T2 und wird dort zu I_B2
- I_B2 löst nun I_E2 aus (I_E2 = ß2 * I_B2 ≈ I_C2)
- der Kollektorstrom I_C2 fließt nun als starker Basisstrom I_B1 in den ersten Transistor zurück
- hier wird wiederum ein verstärkter Elektronenstrom von E1 nach E2 wirksam
- der „Kreis“ ist nun geschlossen und die Spannung U_G kann abgeschaltet werden
- in kurzer Zeit sind beide Transistoren voll durchgesteuert.
- Das gesamte Kristallgebiet wird mit Elektronen und Defektelektronen überschwemmt, die Sperrschicht S2 wird dadurch abgebaut

- Erhöhte Anodenspannung (Überkopfzündung):
o Durchbruchspannung des sperrenden pn- Übergangs (J2) wird überschritten und der stei-gende Sperrstrom leitet des Zündvorgang ein
o Da jedoch diese „Überkopfzündung“ den Thyristor gefährdet, wird dies im periodischen Be-trieb vermieden und nur in Sonderfällen zugelassen.
o solange die Kippspannung U_BO (breakover voltage) {s.o.: Nullkippspannung U(B0)null} nicht überschritten wird, bleibt der Thyristor gesperrt
- Schneller Spannungsanstieg (Rate – Effekt):
o ein steiler Spannungsanstieg verursacht Ladeströme in die Sperrschichtkapazität des pn – Übergangs (J2), die zur Zündung führen können
o Typische Werte: 0,1 ... 2 kV/μs
- Energiezufuhr (Wärme, Licht, Strahlung)
o Erhöhte Ladungsträgergeneration in der Sperrschicht (J2) erhöht den Sperrstrom, der den Zündvorgang einleiten kann

- Er führt zur Zerstörung des Thyristors, da durch die zu hohe Stromdichte die zulässige thermische Belastung überschritten wird (Kritische Stromsteilheit)
o Beim Einschalten des Thyristors fließt der Gatestrom vorwiegend zum Rand J3 des n+ Emitters
o Auf dem Weg zur Mitte verursacht der Bahnwiderstand einen Spannungsfall und der Steuerstrom wird immer geringer
o Nach dem Zünden durch einen Zündimpuls hat sich nur in einem schmalen Randbereich eine Stromdichte eingestellt, die größer als die Einraststromdichte ist
o Die Strombelastbarkeit des Thyristors ist in diesem Moment deutlich geringer als der Nennwert.

im Durchlassbetrieb:
- Der Thyristor muss erst die Zündspannung überschreiten, damit der Einraststrom im linea-ren Betrieb fließen kann.
- 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, I unterschreitet.
- Dann ist der Thyristor in den hochohmigen Zustand zurückgekippt.

- Bevor der Thyristor wieder mit einer Vorwärtsspannung beaufschlagt werden kann, muss eine bestimmte Freiwerdezeit vergehen.
- dem zufolge ist die Freiwerdezeit:
o die Zeit zwischen dem Stromnulldurchgang und dem Zeitpunkt, bei dem eine wiederkeh-rende Vorwärtsspannung den Thyristor nicht mehr zündet

- DIAC: Diode alternating current switch
- Sobald die Spannung eine be-stimmte Schwellenspannung übersteigt, schaltet er durch und die p-n-Strecken werden leitfähig.
- Diese Art der Zündung nennt man auch Überkopfzündung, sie kann in beiden Spannungsrichtungen erfolgen ... je nach Kippspannung.
- Erst wenn der den Diac durchfließende Strom einen bestimmten Wert, den Haltestrom unterschreitet, steigt der Widerstand wieder rapide an.
- Dieser Vorgang wird auch als Löschen des Diacs bezeichnet

- TRIAC: Triode alternating current switch
- Aufbau und Funktion entspricht der Gegenparallelschaltung von 2 Thyristoren
- spezielle Hilfsschichten im Gatebereich ermöglichen die Zündung beider Thyristoren sowohl mit positiven als mit negativen Gatestrom
- der Zündstrom fließt von G nach H2

- GTO: Abschhaltthyristor (Gate Turn- off Thyristor)
- zünden: durch einen Steuerstrom, wie bei herkömmlichen Thyristoren
- löschen: durch einen Steuerstrom in umgekehrter Richtung
- Der GTO vereint die Vorteile des Thyristors und des Leistungstransistors: hohe Strom- und Span-nungsbelastbarkeit sowie vereinfachte Löschung und kurze Schaltzeiten
- Aktuelle Weiterentwicklung: (MCT, FCT, GCT bzw. IGCT) und andere moderne Bauelemente (IGBT), mit verbesserten Ansteuer- und Schalteigenschaften verdrängt.

- Thyristoren
- IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
- IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
- Diac
- Triac

- Wechselrichter: formt Gleichspannung in Wechselspannung um
- aus der Gleichspannung U_b wird mit Hilfe der Thyristoren eine Rechteck Spannung erzeugt
- ZÜ dient der Zündimpulserzeugung
- Das Zünden des einen Thyristors löscht den anderen Thyristor
- Die wechselnde Stromführung durch die obere bzw. untere Hälfte der Primärwicklung verursacht ausgangsseitig eine Wechselspannung U_A

- Steuerung der Leistungsaufnahme ei-nes Verbrauchers (Bsp.: Dimmer)
- Verbraucher wird nicht während der gesamten Sinusschwingung mit Strom versorgt
- Legt man eine Gleichspannung U2 an, verhalten sich die Thyristoren wie Dioden (Graetzbrücke), da bei passender Polarität von U_AK jederzeit der entsprechende Gatestrom fließen kann
- Der Mittelwert des Stromes und der Verbraucherleistung lässt sich durch den Zündwinkel beeinflussen.

- Sekundärwicklung 6V \(\to\) Vorheizung der Elektroden, damit die Leuchtstoffröhre sicher zündet
- Drossel „Dr“ verringert die Stromsteil-heit beim Zünden eines Thyristors; besonders kritisch bei 90° und 270°, d.h. im jeweiligen Scheitelpunkt der Spannungshalbwelle
- Die Thyristoren übernehmen abwech-selnd einen Teilstrom je Halbwelle
- Die Zündung in der Nähe der Nulldurch-gänge könnte versagen, wenn die Zündimpulsdauer zu gering ist und dadurch der Einraststrom nicht erreicht wird; die Drossel reduziert (leider) auch hier den Stromanstieg.
- Abhilfe: der über den Widerstand R fließende Strom ist in Phase mit der Wechselspannung Ub und wirkt durch den zusätzlichen Strom IR als Zündhilfe
- Die Gate- Ansteuerung erfolgt über zwei Zündimpulsübertrager, da die Kathodenpotentiale der Thyristoren nicht auf einem Bezugspotential liegen

- geeignet für kleinere Leistungen
- Hauptzweig der Schaltung: Verbraucher R_L und Thyristor T_h2
- Impulserzeugung: restliche Bauelemente (T_h1 ist ein Diac)
- Positive Halbwelle von Ub � C1 und C2 werden aufgeladen
- Der Diac T_h1 zündet, wenn die Spannung U_C2 die Wert der Zündspannung erreicht hat;
- über P1 ist die Ladezeit (Zeitkonstante) und
somit der Zündzeitpunkt einstellbar
- Der Diac zündet den Triac

- es wird immer im Stromnulldurch-gang geschaltet, d.h. es entstehen keine Oberwellen
- der Strom fließt für die Dauer von N1 Halbwellen und dann für N2 Halbwellen nicht
- das Verhältnis von N1/N2 ergibt die prozentuale Leistung

- Transistor arbeitet mit R1, R2 und RE als Konstant-stromquelle
- IC wird auf eine konstanten Wert, abhängig von RE eingestellt
- Kondensatorspannung stiegt linear an:
o Q= C * U und Q= I * t \(\to\) U = I * t / C
- Nach Erreichen der Kippspannung des Diac, zündet dieser und der Kondensator wird entladen;
- die Ausgangsspannung fällt dabei steil ab
- der Strom durch den Diac wird durch R3 begrenzt
- Damit der Diac nach dem Entladen wieder sperrt, muss der Kollektorstrom kleiner sein als der Haltestrom des Diacs
- Der Vorgang wiederholt sich periodisch und die Frequenz ist über RE einstellbar

(Ge) Germanium: 0,15 ... 0,35V; (Si) Silizium: 0,45 ... 0,8V

- Sperrbetrieb
o durch eine hohe Sperrspannung steigt der Sperrstrom und die Verlustwärme o durch die Erwärmung steigt der Sperrstrom, IS = f(T),
o somit wächst auch die Verlustwärme
o dieses führt schließlich zur Zerstörung der Diode

- Hot Spot:
o die Verlustleistung verteilt sich herstellungsbedingt nicht auf die gesamte Dioden Fläche o hoher Strom und Leistungsdichte verursachen hohe Temperatur
o dies führt zur Zerstörung der Diode.

- Diode im Durchlassbetrieb:
o In einem pn Übergang ist im Durchlassbetrieb eine Diffusionsladung QD gespeichert, o die Diffusionskapazität wird durch die Trägheit der Minoritätsträger verursacht
o die Diffusionskapazität ist u. a. proportional dem Durchlassstrom ID

\(U_T = {kT \over e} = {D \over \mu}\)

Bei DU = -10V, \(\vartheta_U\) = 25°C für BAY44: I_S < 5nA

• -  Der Diffusionsstrom fließt ohne elektrisches Feld, d. h. ohne Spannung,

• -  Ladungsträger werden nur durch Wärmebewegung angetrieben,

• -  dies führt zum Ausgleich von Konzentrationsgefällen,

• -  häufig ist mit dem Diffusionsstrom eine Aufladung bestimmter Bereiche verbunden

• -  als Folge davon entstehen ein elektrisches Feld und Diffusionsspannung.

• -  Die geringe Dotierung hat eine breite Raumladungszone zur Folge

• -  hat ein Ladungsträger auf dem Weg durch die Sperrschicht genügend kinetische Energie aufgenommen, um weitere Bindungen aufzubrechen, entstehen neue Ladungsträgerpaare und der Sperrstrom steigt lawinenartig an

• -  der Lawinendurchbruch tritt bereits bei Feldstärken E_Si ab 1,8*10⁵ V / cm auf

• -  bei U_D = U_br findet der Lawinendurchbruch statt (br = avalanche- break- down)

- nach dem Umschalten ist die Raumladungsdoppelschicht noch von Ladungsträgern überflutet o Ladungen in den Bahngebieten müssen durch Rekombination abgebaut werden,
o die Diode wirkt zunächst als Kurzschluss mit I_r = U_r / R
o allmählich stellt sich der Wert von I_S ein mit (t_r recovery time oder Übergangszeit)

- Arbeitspunkt:

o im Sperrgebiet zwischen Nullpunkt und der Durchbruchspannung

- Anwendung:

o elektronische Abstimmung von Schwingkreisen (Resonanzkreise) o AFC – Schaltungen (Automatic Frequency Control)
o Modulations- und Demodulationsschaltungen

• -  bei einem in Sperrrichtung gepolten PN-Übergang fließt nur ein kleiner Sättigungsstrom und es existiert eine Raumladung,

• -  die in Sperrrichtung gepolte Diode verhält sich wie ein verlustbehafteter Kondensator,

• -  mit zunehmender Sperrspannung U_r verbreitet sich die Sperrschicht und somit nimmt die Sperr-

  schichtkapazität C_S ab,

• -  die Sperrschichtkapazität C_S hat ihren größten Wert bei U_r = 0V

- Vorteil der PSN – Struktur:
o Sie bewirkt im Sperrbetrieb eine Aufteilung der Spannung auf zwei Übergänge,

P\(\to\)S und S\(\to\)N
- Wirkung der S – Zone im Flussbetrieb:

o Die S – Zone wird im Flussbetrieb mit Ladungsträger Überschwemmt und hat keine große Wirkung

- Funktion:
o Elektrische Energie wird in Lichtenergie umgewandelt.
o In durchlassbetrieb werden vom p – Gebiet Löcher als Majoritätsträger ins n – Gebiet injiziert und Elektronen als Minoritätsträger vom n – Gebiet ins p – Gebiet
o in den Bahngebieten rekombinieren die Minoritätsträger mit den Majoritätsträger o die Rekombinationsenergie wird als Wärme, sichtbares oder UV – Licht freigesetzt

- Eigenschaften:
o kein Einschaltstromstoß
o niedrige Betriebsspannung
o praktisch trägheitslos (Anstiegs- / Abfallzeiten im ns- Bereich) o modulierbar
o hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit

- Einsatzmöglichkeiten:
o Anzeigeelement, Optokoppler, Leuchtmittel

- Funktion:
o eine in Sperrrichtung an eine Diode gelegte Spannung verstärkt

die Sperrscht,
o es fließt nur ein kleiner Sperrstrom, der durch thermisch angereg-

te Ladungsträgerpaarbildung hervorgerufen wird,

o Energie kann jedoch der Sperrschicht in Form von Licht zugeführt werden (innerer Photoeffekt)

- Aufbau:
o Fotodioden unterscheiden sich im Herstellungsverfahren nur wenig

von Normalen Dioden,
o das Dioden Gehäuse erhält zur Sperrschicht ein linsenförmiges

Fenster - Anwendung:

o Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Codelineale

Maximum Power Point: Maximale Leistungsentnahme

Maximale Leistungsentnahme bei Leistungsanpassung (Ri = Ra)

von 7% - 18%

amorphe Si-Dünnschichtzelle: 7%

CIS-Zelle: 9%

polykistalline Si-Solarzelle: 14%

monokistalline Si-Solarzelle: 18%

- Eigenschaften:
o kleine Diffusionskapazität

o Minoritätsträger spielen keine Rolle, da die Zahl der Majoritätsträger erheblich größer ist

o kurze Schalt- und Speicherzeiten (einige 100ps), da die Majoritätsträger beweglicher sind - Anwendung:

o Mikrowellentechnik (bis 50GHz, Schnelle Digitalrechner)

o Schutzdiode an Porteingänge von Mikrocontroller (Ableitdiode)

- Hochfrequenz- und schnelle Schalteranwendungen:
o Modulator- Demodulator Schaltungen bis 1GHz

o Spezielle Si-Mikrowellendioden bis 40GHz

• -  Z – Dioden werden im Sperrbereich betrieben,

  mit einer genau definierten Durchbruchsspan-

  nung

• -  Der Arbeitsbereich liegt bei I_ZMAX und ist der ma-

  ximal zulässiger Strom mit P_tot > U_Z * I_ZMAX