Leistungselektronik Glossar Leistungselektronik

Leistungselektronik
Glossar
Leistungselektronik
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Index Leistungselektronik
Feldeffekttransistor
MCT, MOS controlled
Galliumnitrid
thyristor
GTO-Thyristor
MOSFET, metal oxide
HVDC, high voltage direct current
semiconductor field effect
Hochspannungs-IC
transistor
IGBT, insulated gate bipolar
SCS, silicon controlled switch
transistor
Siliziumcarbid
IGCT, integrated gate commutated
SIT, static induction
thyristor
transistor
JFET, junction field-effect
SJT, super junction
transistor
transistor
LASCR, light activated silicon
Snubberglied
controlled rectifier
Thyristor
Leistungselektronik
Impressum
Leistungshalbleiter
Leistungskondensator
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Leistungselektronik
Feldeffekttransistor
FET, field effect
transistor
Der Feldeffekttransistor (FET) wurde bereits 1947 von den amerikanischen Physikern Bardeen
und Shockley entwickelt. Feldeffekttransistoren unterscheiden sich wesentlich von den
bipolaren Transistoren. Ihre drei Elektroden heißen Source, Drain und Gate. Die Source ist die
Quelle für die Ladungsträger und entspricht dem Emitter eines Transistors, die Drain ist die
Abflusselektrode und entspricht dem Kollektor und das Gate ist die Steuerelektrode und
entspricht der Basis.
Feldeffekttransistoren steuern den Stromfluss zwischen der Source (S) und der Drain (D) mit
dem elektrischen Feld, das vom Gate (G) erzeugt wird. Mit diesem Feld kann das Gate
zwischen Source und Drain einen leitenden Kanal aufbauen. Dabei kann es sich um einen Noder P-Kanal handeln.
Bei Anlegen einer Gatespannung breitet sich das elektrische Feld in Abhängigkeit von der
Polarität und der Größe der Steuerspannung in den Kanal aus und beeinflusst die Größe des
Aufbau eines MOSFET
Kanals und damit den Stromfluss. Man
spricht in diesem Zusammenhang auch
von der Sperrschicht oder
Raumladungszone.
Bei einer Gate-Spannung von 0 V fließt
der maximale Strom, der Kanal ist am
breitesten. Bei einem N-Kanal ist die
Steuerspannung negativ und verringert
mit steigendem Potenzial den Stromfluss,
bis kein Strom mehr fließt.
Man unterscheidet zwischen Junction-FET
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Leistungselektronik
Feldeffekt-Transistor: Kennlinien, Funktion und Schaltzeichen
(JFET), der zwischen dem Gate und dem Source-Drain-Kanal einen sperrenden Übergang hat,
und dem Isolated Gate FET (IGFET), der eine isolierende Schicht zwischen Gate und dem
Source-Drain-Kanal hat. Da diese in MOS-Technologie gefertigt wird, spricht man in diesem
Zusammenhang von MOSFET. Bei dieser Technologie ist das Gate elektrisch über einen
Isolator, nämlich eine Metalloxydschicht angeschlossen und hat eine extrem hohe Impedanz.
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Leistungselektronik
Über das Gate fließt also kein Strom, die Steuerung erfolgt leistungslos. Neben diesen
Technologien gibt es noch organische Feldeffekttransistoren (OFET), die aus Polymeren
bestehen und das ferroelektrisch arbeitende FeFET, das sich für Speicherzellen eignet.
Mit dem FinFET und dem MuGFET (Multiple Gate FET) gibt es Varianten mit mehreren Gates,
die den Ladungsträgerkanal umschließen, die weniger Energie benötigen, kleiner realisiert
werden können und wesentlich kürzere Schaltzeiten haben. Sie eignen sich für
Mikroprozessoren und SRAMs.
Galliumnitrid
GaN, gallium nitride
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial, das in der Optoelektronik, bei hochintegrierten
Leistungs- und Frequenzbereiche von verschiedenen
Halbleitermaterialien
optischen Speichermedien, in
der Mikrowellentechnik, in
Schaltern, der
Leistungselektronik und bei
Halbleiterlichtquellen
eingesetzt wird. Galliumnitrid
hat diverse Vorteile gegenüber
Galliumarsenid (GaAs) und
Silizium. Es zeichnet sich durch
gute
Hochfrequenzeigenschaften und
einen geringen
Energieverbrauch aus.
Außerdem hat es einen hohen
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Leistungselektronik
Wirkungsgrad in Bezug auf die benötigte Fläche und die Produktionskosten und kann mit
wesentlich höheren Spannungen arbeiten.
Galliumnitrid hat eine große Bandlücke von 3,4 Elektronenvolt (eV), gegenüber Silizium hat es
ein sehr viel höhere Durchbruchspannung und einen geringeren Durchlasswiderstand und kann
außerdem bei Frequenzen von mehreren hundert Gigahertz (GHz) eingesetzt werden.
Als Verbindungshalbleiter wird Galliumnitrid in blauen, grünen und weißen Leuchtdioden
eingesetzt, aber auch in HEMTs (High Electron Mobility Transistor), den leistungsstarken
Komponenten der Hochfrequenztechnik. Entsprechende GaN-HEMTs zeichnen sich durch einen
hohen Wirkungsgrad von bis zu 70 % und einer hohen Leistungsdichte aus. Sie können in der
hochfrequenten Breitbandtechnik und der Mikrowellentechnik wie in WiMAX oder Long Term
Evolution (LTE) eingesetzt werden.
GTO-Thyristor
GTO, gate turn off
GTO-Thyristoren (Gate Turn Off) sind Leistungs-Schaltthyristoren. Sie sind wie normale
Thyristoren als Vierschicht-Halbleiter aufgebaut, allerdings haben die einzelnen positiv und
negativ dotierten Schichten unterschiedliche Dotierungen.
GOT-Thyristoren können im Gegensatz zu normalen Thyristoren durch Steuerimpulse ein- und
auch ausgeschaltet werden. Während bei konventionellen Thyristoren die Abschaltung durch
Strom- und Spannungsumkehr des Hauptstroms erfolgt, können GTO-Thyristoren wie
konventionelle Thyristoren mit einem positiven Steuerimpuls am Gate eingeschaltet und durch
einen Rückwärts-Steuerimpuls auch ausgeschaltet werden. Der Abschaltstrom ist relativ hoch,
weswegen GTO-Thyristoren aus vielen kleineren Thyristoreinheiten bestehen, die parallel
geschaltet den GTO-Thyristor bilden. Das führt allerdings dazu, dass bei prozesstechnischen
Abweichungen zwischen den einzelnen Thyristor-Einheiten bestimmte Thyristoren bereits
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Leistungselektronik
abgeschaltet sind, während andere den
Abschaltstrom von diesen übernehmen müssen. Dies
kann zur Überhitzung und Zerstörung von GTOThyristoren führen.
Da der Abschaltstrom relativ hoch ist und wie
erwähnt zur Zerstörung der GTO-Thyristoren führen
kann, ist für die Ansteuerung eine spezielle
Steuerelektronik erforderlich. Durch die
Abschaltmöglichkeiten wird die Löschung, die bei
normalen Thyristoren erfolgt, vermieden.
Eingesetzt werden GTO-Thyristoren in der
Leistungselektronik, speziell in der IGBT-Technik zur
Schaltung von Strömen bis zu 1.000 Ampere. Eine
Weiterentwicklung des GTO-Thyristors ist der
Integrated Gate Communicated Thyristor (IGCT).
Hochspannungs-IC
HVIC, high-voltage
integrated circuit
Aufbau und Schaltzeichen des GTOThyristors
High-Voltage Integrated Circuits (HVIC) sind
monolithische Hochspannungs-ICs für Spannungen
von 500 V und höher.
Diese integrierten Schaltungen werden in der Motorsteuerung, in Treiber-Schaltungen,
Schaltnetzteilen, Schutzschaltungen, in der Überspannungstechnik, sowie der Audio- und
Ultraschalltechnik in industriellen Anwendungen und in der Medizin eingesetzt. Sie werden in
verschiedenen SO-Packages hergestellt und können Treiberströme von einigen Ampere
schalten.
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Leistungselektronik
IGBT, insulated gate
bipolar transistor
Aufbau eines IGBTs
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) sind Leistungshalbleiter, die in der
Leistungselektronik, Energie- und HGÜ-Technik eingesetzt werden. Sie wurden 1979 erstmals
vorgestellt und haben sich zwischenzeitlich, bedingt durch technologische und
verfahrenstechnische Weiterentwicklungen zu elektronischen Hochleistungskomponenten
entwickelt. Der Leistungsbereich der IGBTs ist durch den Spannungsbereich zwischen
mehreren hundert Volt und mehreren Kilovolt gekennzeichnet, der Strombereich übersteigt
einige Kilo-Ampere. Eingesetzt werden sie u.a. als Leistungs-Halbleiterschalter in
Motorantrieben, Zugkraftsteuerungen, USV-Systemen und Schaltnetzteilen.
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Leistungselektronik
IGBTs zeichnen sich aus durch geringste Leistungsverluste im Durchlass- und Sperrzustand,
sie benötigen nur geringe Ansteuerungsleistungen und haben einen hohen Wirkungsgrad, der
maßgeblich von der Schatfrequenz bestimmt wird. IGBTs werden bei Spannungen zwischen
600 V und 6 kV eingesetzt und arbeiten mit Schaltfrequenzen von 2 kHz bis 50 kHz. Damit sie
eine möglichst geringe Steuerleistung benötigen, werden technologisch MOSFET-Gates
benutzt, was als weiteren Vorteil die hohe Eingangsimpedanz mit sich bringt.
IGBTs sind ähnlich aufgebaut wie MOSFETs, es gibt sie als n-Kanal- oder p-Kanal-Version. Der
wesentliche Unterschied gegenüber MOSFETs liegt darin, dass die p- und n-Zonen doppelt
diffundiert sind und dass für den Kollektor, resp. die Drain, ein p(+)-Substrat-Layer benutzt
wird. Da aus der p(+)-Zone Löcher in die n-dotierte Zone driften, ändert sich das Verhalten
entsprechend wie bei einem bipolaren Bauteil.
Der On/Off-Zustand eines IGBTs wird wie bei einem MOSFET durch die Gatespannung
gesteuert. Ist die Gatespannung niedriger als die Emitterspannung, wird der Übergang
IGBT-Modul von Semikron
zwischen Emitter und Gate gesperrt und
es fließt kein Strom durch den IGBT, er
ist „Off“. Alle angelegten Spannungen
liegen dann an dem entgegengesetzt
vorgespannten Übergang zwischen dem
Gate und der Drift-Zone. Es fließt
lediglich ein geringer Leckstrom. Die
Vorwärts-Durchbruchspannung wird durch
die Durchbruchspannung dieses
Übergangs bestimmt. Dies ist wichtig, da
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Leistungselektronik
die Halbleiter-Leistungskomponenten mit hohen Spannungen und Strömen arbeiten. Die
Durchbruchspannung des Übergangs hängt von den Dotierungen beider Zonen ab.
Zu den Leistungs-Halbleitern zählen Thyristoren, GTO-Thyristoren, MCT-Thyristoren, IGCTThyristoren, Super Junction Transistors (SJT), LASCR, Silicon Controlled Switches (SCS), Static
Induction Transistors (SIT) und Static Induction Thyristors (SITH).
Leistungshalbleiter-Komponenten werden in den verschiedensten TO-Packages wie dem TO-3
oder dem TO-220 oder in Modulform geliefert.
IGCT, integrated gate
commutated thyristor
IGCT-Thyristor
Integrated Gate Communicated Thyristors (IGCT) sind Schaltkomponenten der
Leistungselektronik. Ein IGCT-Thyristor entspricht funktional dem GTO-Thyristor, Gate Turn Off.
Es ist ein steuerbarer Leistungsschalter, der über das Gate ein- und ausgeschaltet werden
kann. IGCTs zeichnen sich durch eine hohe Dynamik zwischen dem Ein- (On) und Aus-Zustand
IGCT-Thyristor für 10 kV, Foto: ABB
(Off) aus und unterscheiden sich
gegenüber GTO-Thyristoren durch die
schnellere Schaltgeschwindigkeit.
IGCT-Thyristoren bestehen im
Wesentlichen aus zwei elementaren
Teilen: der GCT-Thyristorstruktur und
der Gate-Einheit, die so nah als
möglich am GCT-Teil angebracht ist.
Daher auch die Bezeichnung
Integrated. Die Integration beider
Teile ist notwendig, um störende
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Leistungselektronik
Induktivitäten der Gate-Einheit zu minimieren.
Die Vorteile des IGCT-Thyristors liegen in der Steuerbarkeit des Schaltvorgangs, in der relativ
hohen Überlastbarkeit und dem niedrigen Durchlasswiderstand im geschalteten Zustand.
Eingesetzt werden IGCTs in Leistungstreibern, in Wechselrichtern und Umrichtern und in
leistungsstarken Nieder-Frequenzkonvertern.
JFET, junction fieldeffect transistor
Aufbau und Schaltzeichen des JFET, oben n-dotiert
Der Junction Field-Effect Transsitor
(JFET) hat einen äußerst einfachen
Aufbau und einen hohen
Eingangswiderstand, der geringer
ist als der des MOSFET. Darin ist
auch der Grund zu sehen, warum
JFETs nur begrenzt in diskreten
Schaltungen eingesetzt werden.
Junction-FET s gibt es in zwei
Ausführungen als p-Kanal- und nKanal-JFET. Bei der n-KanalAusführung besteht der
stromführende Kanal aus ndotiertem Silizium, das von dem pdotierten Gate eingeschlossen
wird. Beim JFET wird der pnÜbergang zwischen Gate und n11
Leistungselektronik
Kanal negativ vorgespannt und steuert dadurch den Stromfluss zwischen Source und Drain.
Bei der p-Kanal-Ausführung sind die Halbleitermaterialien entsprechend umgekehrt. Das pdotierte Silizium wird für den stromführenden Kanal, das n-dotierte für das Gate benutzt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinien von JFETs entsprechen im Wesentlichen denen von MOSFETs
mit der Ausnahme, dass die zulässige Source-Gate-Spannung bei 0 V liegt. Im Schaltbild
werden die beiden Ausführungen durch die Richtung des Pfeils zum oder vom Gate kenntlich
gemacht.
Neben den auf Silizium basierenden JFETs wird zunehmend Siliziumcarbid (SiC) als
Halbleitermaterial eingesetzt, da durch die geringere Verlustleistungen Leistungs-JFETs für die
Leistungselektronik hergestellt werden können.
LASCR, light activated
silicon controlled
rectifier
Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR) sind durch Licht aktivierte Thyristoren
(SCR), Light Activated SCRs, die auch als Light Triggered Thyristor (LTT) bezeichnet werden.
Sobald das auf den Gleichtrichter fallende Licht einen bestimmten Schwellwert überschreitet,
lässt der LASCR den Strom in einer Richtung passieren.
Vom Aufbau her bestehen LASCRs aus Anode, Kathode und der Steuerelektrode, dem Gate.
Funktional bleibt der LASCR solange in seinem leitenden Zustand, wie Licht auf ihn fällt. Sinkt
die Helligkeit des einfallenden Lichts unter einen Schwellwert, sperrt der LASCR den
Stromfluss. Die höchste Empfindlichkeit haben LASCRs bei offenem Gate. Außerdem können
LASCRs mit einem Puls auf das Gate getriggert werden und arbeiten dann vergleichbar
konventionellen Thyristoren (SCR). LASCRs werden in lichtgesteuerten Einrichtungen und
Dämmerungsschaltern eingesetzt.
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Leistungselektronik
Leistungselektronik
Der Begriff Leistungselektronik bezeichnet ein großes Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich
mit Hilfe von Halbleiterbauelementen mit Steuern, Umformen und Schalten von elektrischer
Energie befasst. Die Leistungsbereiche sind in der Leistungselektronik nicht fest definiert, sie
reichen aber von einem Spannungsbereich von 5 V bis etwa 400 kV und einem Strombereich
von 500 mA bis 6 kA. In der Leistungsübertragung reicht der Bereich der übertragbaren
Leistung von weniger als einem Watt bei Spannungsreglern, Relais- oder Ventiltreibern bis zu
mehreren Gigawatt bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).
In der Antriebstechnik spielt die Leistungselektronik eine wichtige Rolle. In vielen Bereichen
werden große Antriebe leistungselektronisch gesteuert oder in der Energieerzeugung werden
Frequenzumrichter zur direkten Netzeinspeisung eingesetzt. Darüber hinaus ist die
Leistungselektronik ein wichtiges Bindeglied zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch
und trägt einen Beitrag dazu, den immer teurer werdenden Rohstoff Energie sparsam
einzusetzen. Sie hat die Aufgabe, die erzeugte Energie effizient und zuverlässig zum
Verbraucher zu bringen. Dazu tragen Stellglieder bei, die die Spannungspegel und -frequenzen
möglichst ohne Verluste an die unterschiedlichen Energienetze anpassen. Der Wirkungsgrad
dieser Spannungsumformer reduziert die übertragene Energie.
Bei Bauelementen der Leistungselektronik handelt es sich um Leistungshalbleiter die Strom
und Spannungen schalten. Häufig verwendet werden: Leistungsdioden, Leistungstransistoren
sowohl bipolare Transistoren als auch Feldeffekttransistoren (FET), Junction Field-Effect
Transistors (JFET), Super Junction Transistors (SJT), Leistungs-MOSFET, GTO-Thyristoren,
Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT), eine Weiterentwicklung des GTO-Thyristors
zur Verringerung des Schaltungsaufwandes, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) und
Thyristoren (Diac/Triac).
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Leistungselektronik
Bipolare Transistoren, MOSFETs und SBR-Dioden werden in Schaltnetzteilen und DC/DCWandlern eingesetzt, GTO-Thyristoren und IGCT-Thyristoren in der Stromrichtertechnik. Die
Anforderungen an leistungselektronische Bauelemente sind hohe Sperrspannungen, niedrige
Schaltverluste und vor allem hohe Schaltströme.
Leistungshalbleiter
Leistungshalbleiter sind Halbleiter-Bauelemente, die speziell für das Schalten von hohen
Strömen und Spannungen entwickelt wurden. Während konventionelle Halbleiter Ströme unter
1 A und Spannungen
von bis zu 100 V
schalten, sind diese
willkürlich gewählten
Werte die unteren
Grenzwerte für
Leistungshalbleiter.
Nach oben hin liegen
die derzeit
realisierbaren
technischen Grenzen
bei Schaltspannungen
von 10 kV und mehr
und bei Schaltströmen
von mehreren KiloAmpere. Daher
Arbeitsbereiche von Leistungshalbleitern
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Leistungselektronik
werden Leistungshalbleiter ausschließlich in der Energie-, Antriebs- und
Hochspannungstechnik eingesetzt.
Leistungshalbleiter haben sich seit den 50er Jahren parallel zu konventionellen Halbleitern
entwickelt und werden primär durch Vielschicht-Halbleiter gebildet. Die Entwicklung hat vom
bipolaren Transistor über den MOSFET und den Thyristor hin zu den leistungsstarken Insulated
Gate Bipolar Transistors (IGBT), GTO-Thyristoren und IGCT-Thyristoren geführt. Diese
Leistungshalbleiter unterscheiden sich in ihren Schaltspannungen und -strömen, und in ihren
Schaltleistungen und -frequenzen. Erstere können bei Thyristoren weit über 10 MegaVoltampere (MVA), auch IGBTs erreichen durchaus bis 5 MVA und MOSFETs etwa 20 kVA. Je
höher die Schaltleistung, desto geringer ist die Schaltfrequenz. Während diese bei Thyristoren
unter 1 kHz liegt, steigt sie bei IGBTs auf ca. 100 kHz und bei MOSFETs auf weit über 100
MHz.
Leistungskondensator
Leistungskondensatoren sind besonders spannungsfeste Kondensatoren, die in der
Hochfrequenz-, Leistungs-, Energie- und HGÜ-Technik eingesetzt werden. Neben der höheren
Spannungsfestigkeit zeichnen sich Leistungskondensatoren in aller Regel auch durch hohe
Kapazitätswerte aus.
Die Bezeichnung Leistungskondensator ist nicht spezifiziert in Bezug auf die genannten
Kennwerte, sie ist vielmehr durch die Einsatzgebiete in der Nieder- und Hochspannungstechnik
geprägt und wird für Kondensatoren benutzt, deren Blindleistung über 200 Var (VoltageAmpere Reactive) liegt und durchaus mehrere Kilo-Var erreichen kann.
Waren frühere Leistungskondensatoren wegen ihrer Selbstheilung Metallpapierkondensatoren,
so werden heute thermoplastische Kunststofffolien aus Polyethylenterephthalat (PET),
Polycarbonat (PC), Polyethylennaphthalat (PEN) und Polypropylen (PP) benutzt. Sie haben
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Leistungselektronik
eine hohe Durchschlagfestigkeit von ca. 600 V/µm, einen hohen Durchgangswiderstand von
10exp17 und höher, und können in einem großen Temperaturbereich zwischen -50 °C und etwa
100 °C eingesetzt werden.
MCT, MOS controlled
thyristor
Wie der GTO-Thyristor ist auch der MCT-Thyristor (MOS Controlled Thyristor) ein ThyristorSchalter, der aus dem GTO-Thyristor entwickelt wurde. Der GTO-Thyristor benötigt eine
umfassendere Steuerelektronik für den relativ hohen Steuerstrom bei der Abschaltung. Diesen
Nachteil behebt der MCT-Thyristor, der über MOSFETs an- und abgeschaltet wird. Im EinZustand haben MCTs geringe Verluste und können hohe Ströme schalten.
MCT-Thyristoren sind vergleichbar den Silicon Controlled Rectifier (SCR) mit isoliertem Gate,
was die Steuerelektronik für die Treiberschaltungen wesentlich vereinfacht. Bedingt durch die
MOSFET-Ansteuerung haben sie eine höhere Schaltgeschwindigkeit als SCRs.
MOSFET, metal oxide
semiconductor field
effect transistor
Aufbau eines MOSFETs
MOSFET beschreibt einen
Feldeffekttransistor in MOS-Technologie.
Mit der MOS-Technologie können
Transistoren hergestellt werden deren
Steuerelektrode durch eine
Metalloxydschicht vom Basismaterial
getrennt ist und den Stromfluss im
Basismaterial über elektrische Felder
steuert. Bedingt durch die strommäßige
Trennung von Basismaterial und
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Leistungselektronik
Steuerelektrode, dem Gate, erfolgt die Steuerung über das elektrische Feld leistungslos.
Die Elektroden eines MOSFETs sind die Source als emittierende Elektrode, das Gate als
steuernde und die Drain als aufnehmende Elektrode, die dem Kollektor eines Transistors
entspricht. Die in den 60er Jahren entwickelten MOSFETs waren aus Silizium resp.
Siliziumdioxid, später, Mitte der 80er Jahre, wurde das Gate aus polykristallinem Silizium,
Polysilizium, hergestellt.
MOSFETs zeichnen sich durch extrem hohe Impedanzen und geringen Leistungsverbrauch aus,
was eine geringere Wärmeentwicklung mit sich bringt. Eine Stromaufnahme erfolgt nur im
Schaltzustand; im statischen Zustand fließt kein Strom durch die Gatter. Der
Durchschaltwiderstand liegt im einstelligen Milli-Ohm-Bereich. Die Schaltzeiten liegen bei
etwa 10 ns.
Der Vorteil der MOS-Technologie, die es als PMOS-Technologie mit P-Kanal-FETs und als NMOSTechnologie mit N-Kanal-FETs gibt, liegt darüber hinaus in dem großen
Versorgungsspannungsbereich, der durchaus mehrere hundert Volt betragen kann.
Bedingt durch die hohe Impedanz sind diese Logiken besonders empfindlich gegenüber
statischen Aufladungen. Alle Ein- und Ausgänge sollten daher nicht potentialfrei betrieben
werden.
SCS, silicon controlled
switch
Der Silicon Controlled Switch (SCS) ist ein Vierschicht-Bauelement, vergleichbar einem
Thyristor oder dem GTO-Thyristor. Im Gegensatz zu den genannten hat der SCS-Thyristor zwei
steuerbare Gate-Anschlüsse, das Anoden-Gate und das Kathoden-Gate, und wie die
konventionellen Thyristoren eine Kathode und eine Anode. Über die beiden Gates kann der
SCS-Thyristor ein- und ausgeschaltet werden.
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Leistungselektronik
Liegt zwischen dem Kathoden-Gate und der Kathode eine positive Spannung, schaltet sich der
SCS-Thyristor ein, ausgeschaltet wird er wenn die Anode und Kathode auf gleiches Potential
gelegt werden.
Siliziumcarbid
SiC, silicon carbide
Siliziumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das in Leistungshalbleitern eingesetzt wird,
besonders in der Leistungselektronik bei hohen Spannungen, Strömen und Temperaturen.
Siliziumcarbid hat zwischen Leitungsband und Valenzband eine hohe Bandlücke von 3,1
Elektronenvolt (eV) und erlaubt dadurch hohe Sperrschichttemperaturen und -spannungen.
Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit besser als die von Silizium. Siliziumcarbid kann bei
Temperaturen bis 300 °C eingesetzt werden. Der optimale Spannungsbereich liegt zwischen
600 V und 2 kV.
Darüber hinaus zeichnet sich Siliziumcarbid durch eine hohe kritische Feldstärke aus, die
entscheidend ist für die Dicke der Halbleiterschicht und deren Dotierung, damit eine
bestimmte Sperrspannung erreicht wird. Im Unterschied zu Silizium kann die SiliziumcarbidSchicht dünner sein, was zu einer wesentlichen Reduzierung des Durchgangswiderstandes im
Schaltzustand und damit zur Verringerung der Verlustleistung beiträgt.
Eingesetzt wird Siliziumcarbid in Leistungshalbleitern in Feldeffekttransistoren (FET), Junction
Field-Effect Transistoren (JFET), Super Junction Transistors (SJT), Schottky-Dioden und IGBTs.
Aus Siliziumcarbid können u.a. SJT-Transistoren für Spannungen von über 10 kV, bei Strömen
von 10 A und Betriebstemperaturen von bis zu 300 °C hergestellt werden. Durch Siliziumcarbid
kann beispielsweise der Wirkungsgrad von Wechselrichtern in Photovoltaikanlagen um über 50
% gesteigert werden. Außerdem kann die Frequenz um den Faktor 4 und höher erhöht und
damit die Größe wesentlich verringert werden, zumal die Baugruppe bei wesentlich höheren
Temperaturen betrieben werden kann.
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Leistungselektronik
SIT, static induction
transistor
Der Static Induction Transistor (SIT) ist ein leistungsstarker Transistor. Der SIT hat durch
seinen Aufbau eine sehr geringe Gate-Kapazität und einen geringen Gate-Reihenwiderstand
und weist nur einen kleinen thermischen Widerstand aufweist. Es ist ein rauscharmer
Transistor mit geringen Verzerrungen der als Leistungsverstärker im Audio-Bereich eingesetzt
wird. Die Transition-Zeiten liegen unterhalb von einer Mikrosekunde.
SJT, super junction
transistor
SJT-Transistor
Super Junction Transistoren (SJT) sind stromgesteuerte Leistungstransistoren für Spannungen
bis 10 kV und darüber. Bedingt durch ihre geringe Gate-Kapazität haben SJT-Transistoren
extrem kurze Schaltzeiten und eignen sich daher ideal als Leistungsschalter in
Schaltnetzteilen, USV-Systemen, Elektromobilen und anderen Anwendungen in denen hohe
Ströme geschaltet werden müssen.
Super Junction Transistoren sind bipolare Transistoren aus Siliziumcarbid (SiC-BJT). SJTs sind
im Normalzustand OFF, sie haben eine revers vorgespannte Safe Operating Area (SOA) und
einen geringfügig positiven Temperaturkoeffizienten. Die Stromsteuerung arbeitet mit einem
geringen Gate-Strom und die Schaltfrequenz kann weit über 10 MHz betragen. Weitere
Features von SJT-Transistoren sind deren Arbeitstemperaturbereich, der bis 300 °C reicht, der
geringe Innenwiderstand von wenigen hundert Milli-Ohm und die Schaltzeiten von etwa 10 ns.
Sie sind sehr robust und können Kurzschlusszeiten von über 20 µs unbeschadet überstehen.
Snubberglied
snubber
Snubber heißt übersetzt Puffer. Der Snubber-Kondensator ist ein Kondensator, der
unerwünschte Schwingungen, Spannungsspitzen, Überspannungen und hochfrequente
Störungen dämpft, weswegen er auch zur Funkenlöschung benutzt wird. Snubberglieder sind
eine Reihenschaltung aus dem Snubber-Kondensator und einem Widerstand. Als RC-Glied wird
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Leistungselektronik
es als Entstörglied an Schaltkontakten, in der Kfz-Elektronik, in Audio-Verstärkern sowie in
Umrichtern mit Thyristoren und IGBTs eingesetzt, vor allem dort, wo induktive Lasten
geschaltet werden. Je nach Anforderung kann das Snubberglied auch nur aus einem SnubberKondensator bestehen.
Thyristor
SCR, silicon controlled
rectifier
Der Thyristor (SCR), auch Vierschichtdiode, Thyristordiode oder Silicon Controlled Rectifier
(SCR) genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das als elektronischer Schalter eingesetzt wird.
Der Thyristor kennt zwei Zustände: den leitenden und den nichtleitenden, die durch eine
Steuerelektrode ausgelöst werden können.
Der Thyristor ist ähnlich aufgebaut wie eine Reihenschaltung aus mehreren Dioden, bestehend
aus vier Schichten, daher auch die Bezeichnung Vierschichtdiode, mit wechselnder p-n-p-nDotierung. Der Thyristor hat drei Elektroden, neben der Kathode und der Anode noch den
Steueranschluss (G). Der Steueranschluss kann n- oder p-gesteuert sein, d.h. er setzt
funktional an der Anode (n-gesteuert) oder der Kathode (p-gesteuert) an. Bei dem pgesteuerten Thyristor ist der Steuerimpuls positiv. Dieser Impuls schaltet den Thyristor in den
niederohmigen, leitenden Zustand, wodurch der Widerstandswert in den Milliohm-Bereich fällt.
Erst wenn der Haltestrom unterschritten wird, werden die Halbleiterstrecken hochohmig und
nichtleitend. Der hochohmige Zustand ist dann gegeben, wenn an der Anode eine negative
Spannung anliegt. Im niederohmigen Zustand liegt an der Anode eine positive Spannung, die
erst bei Überschreiten eines bestimmten Potentials zwischen Anode und Kathode den
Thyristor in den leitenden Zustand schaltet.
Eingesetzt werden Thyristoren als kontaktlose Schalter und steuerbare Gleichrichter in
Schaltnetzteilen, Dimmern und Impulsschaltungen. Die Zündspannung arbeitet mit etwa 3 V,
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Leistungselektronik
die Schaltströme reichen bis über 1.000 A bei Sperrspannungen von 1.000 V. LeistungsThyristoren können Spannungen von weit über 10 kV und Ströme von mehreren Kilo-Ampere
(kA) schalten.
Es gibt spezielle Thyristor-Schalter, wie die lichtgesteuerten Thyristoren (LTT), die MCTThyristoren, die GTO-Thyristoren, die in der IGBT-Technik eingesetzt werden. Eine
Weiterentwicklung der GTO-Thyristoren sind die IGCT-Thyristoren, die sich durch schnellere
Ersatzschaltbild, Schaltzeichen und Kennlinien des Thyristors
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Leistungselektronik
Schaltzeiten auszeichnen. Darüber hinaus gibt es mit der Breakover Diode (BOD) eine
Thyristorvariante, die für die Ableitung von Strömen eingesetzt wird und bei Ableitströmen in
den leitenden Zustand übergeht.
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Impressum
Leistungselektronik
Urheber
Klaus Lipinski, Dipl.-Ing.
Datacom-Buchverlag GmbH
84378 Dietersburg
ISBN: 978-3-89238-259-1
Impressum
Leistungselektronik
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