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Leistungselektronik<br />
Glossar<br />
Leistungselektronik<br />
1
Index<br />
Leistungselektronik<br />
Feldeffekttransistor<br />
Galliumnitrid<br />
GTO-Thyristor<br />
HVDC, high voltage direct current<br />
Hochspannungs-IC<br />
IGBT, insulated gate bipolar<br />
transistor<br />
IGCT, integrated gate commutated<br />
thyristor<br />
JFET, junction field-effect<br />
transistor<br />
LASCR, light activated silicon<br />
controlled rectifier<br />
Leistungselektronik<br />
Leistungshalbleiter<br />
Leistungskondensator<br />
MCT, MOS controlled<br />
thyristor<br />
MOSFET, metal oxide<br />
semiconductor field effect<br />
transistor<br />
SCS, silicon controlled switch<br />
Siliziumcarbid<br />
S<strong>IT</strong>, static induction<br />
transistor<br />
SJT, super junction<br />
transistor<br />
Snubberglied<br />
Thyristor<br />
Impressum<br />
2
Leistungselektronik<br />
Feldeffekttransistor<br />
FET, field effect<br />
transistor<br />
Der Feldeffekttransistor (FET) wurde bereits 1947 von den amerikanischen Physikern Bardeen<br />
und Shockley entwickelt. Feldeffekttransistoren unterscheiden sich wesentlich von den<br />
bipolaren Transistoren. Ihre drei Elektroden heißen Source, Drain und Gate. Die Source ist die<br />
Quelle für die Ladungsträger und entspricht dem Emitter eines Transistors, die Drain ist die<br />
Abflusselektrode und entspricht dem Kollektor und das Gate ist die Steuerelektrode und<br />
entspricht der Basis.<br />
Feldeffekttransistoren steuern den Stromfluss zwischen der Source (S) und der Drain (D) mit<br />
dem elektrischen Feld, das vom Gate (G) erzeugt wird. Mit diesem Feld kann das Gate<br />
zwischen Source und Drain einen leitenden Kanal aufbauen. Dabei kann es sich um einen N-<br />
oder P-Kanal handeln.<br />
Bei Anlegen einer Gatespannung breitet sich das elektrische Feld in Abhängigkeit von der<br />
Polarität und der Größe der Steuerspannung in den Kanal aus und beeinflusst die Größe des<br />
Aufbau eines MOSFET<br />
Kanals und damit den Stromfluss. Man<br />
spricht in diesem Zusammenhang auch<br />
von der Sperrschicht oder<br />
Raumladungszone.<br />
Bei einer Gate-Spannung von 0 V fließt<br />
der maximale Strom, der Kanal ist am<br />
breitesten. Bei einem N-Kanal ist die<br />
Steuerspannung negativ und verringert<br />
mit steigendem Potenzial den Stromfluss,<br />
bis kein Strom mehr fließt.<br />
Man unterscheidet zwischen Junction-FET<br />
3
Leistungselektronik<br />
Feldeffekt-Transistor: Kennlinien, Funktion und Schaltzeichen<br />
(JFET), der zwischen dem Gate und dem Source-Drain-Kanal einen sperrenden Übergang hat,<br />
und dem Isolated Gate FET (IGFET), der eine isolierende Schicht zwischen Gate und dem<br />
Source-Drain-Kanal hat. Da diese in MOS-Technologie gefertigt wird, spricht man in diesem<br />
Zusammenhang von MOSFET. Bei dieser Technologie ist das Gate elektrisch über einen<br />
Isolator, nämlich eine Metalloxydschicht angeschlossen und hat eine extrem hohe Impedanz.<br />
4
Leistungselektronik<br />
Über das Gate fließt also kein Strom, die Steuerung erfolgt leistungslos. Neben diesen<br />
Technologien gibt es noch organische Feldeffekttransistoren (OFET), die aus Polymeren<br />
bestehen und das ferroelektrisch arbeitende FeFET, das sich für Speicherzellen eignet.<br />
Mit dem FinFET und dem MuGFET (Multiple Gate FET) gibt es Varianten mit mehreren Gates,<br />
die den Ladungsträgerkanal umschließen, die weniger Energie benötigen, kleiner realisiert<br />
werden können und wesentlich kürzere Schaltzeiten haben. Sie eignen sich für<br />
Mikroprozessoren und SRAMs.<br />
Galliumnitrid<br />
GaN, gallium nitride<br />
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial, das in der Optoelektronik, bei hochintegrierten<br />
Leistungs- und Frequenzbereiche von verschiedenen<br />
Halbleitermaterialien<br />
optischen Speichermedien, in<br />
der Mikrowellentechnik, in<br />
Schaltern, der<br />
Leistungselektronik und bei<br />
Halbleiterlichtquellen<br />
eingesetzt wird. Galliumnitrid<br />
hat diverse Vorteile gegenüber<br />
Galliumarsenid (GaAs) und<br />
Silizium. Es zeichnet sich durch<br />
gute<br />
Hochfrequenzeigenschaften und<br />
einen geringen<br />
Energieverbrauch aus.<br />
Außerdem hat es einen hohen<br />
5
Leistungselektronik<br />
Wirkungsgrad in Bezug auf die benötigte Fläche und die Produktionskosten und kann mit<br />
wesentlich höheren Spannungen arbeiten.<br />
Galliumnitrid hat eine große Bandlücke von 3,4 Elektronenvolt (eV), gegenüber Silizium hat es<br />
ein sehr viel höhere Durchbruchspannung und einen geringeren Durchlasswiderstand und kann<br />
außerdem bei Frequenzen von mehreren hundert Gigahertz (GHz) eingesetzt werden.<br />
Als Verbindungshalbleiter wird Galliumnitrid in blauen, grünen und weißen Leuchtdioden<br />
eingesetzt, aber auch in HEMTs (High Electron Mobility Transistor), den leistungsstarken<br />
Komponenten der Hochfrequenztechnik. Entsprechende GaN-HEMTs zeichnen sich durch einen<br />
hohen Wirkungsgrad von bis zu 70 % und einer hohen Leistungsdichte aus. Sie können in der<br />
hochfrequenten Breitbandtechnik und der Mikrowellentechnik wie in WiMAX oder Long Term<br />
Evolution (LTE) eingesetzt werden.<br />
GTO-Thyristor<br />
GTO, gate turn off<br />
GTO-Thyristoren (Gate Turn Off) sind Leistungs-Schaltthyristoren. Sie sind wie normale<br />
Thyristoren als Vierschicht-Halbleiter aufgebaut, allerdings haben die einzelnen positiv und<br />
negativ dotierten Schichten unterschiedliche Dotierungen.<br />
GOT-Thyristoren können im Gegensatz zu normalen Thyristoren durch Steuerimpulse ein- und<br />
auch ausgeschaltet werden. Während bei konventionellen Thyristoren die Abschaltung durch<br />
Strom- und Spannungsumkehr des Hauptstroms erfolgt, können GTO-Thyristoren wie<br />
konventionelle Thyristoren mit einem positiven Steuerimpuls am Gate eingeschaltet und durch<br />
einen Rückwärts-Steuerimpuls auch ausgeschaltet werden. Der Abschaltstrom ist relativ hoch,<br />
weswegen GTO-Thyristoren aus vielen kleineren Thyristoreinheiten bestehen, die parallel<br />
geschaltet den GTO-Thyristor bilden. Das führt allerdings dazu, dass bei prozesstechnischen<br />
Abweichungen zwischen den einzelnen Thyristor-Einheiten bestimmte Thyristoren bereits<br />
6
Leistungselektronik<br />
abgeschaltet sind, während andere den<br />
Abschaltstrom von diesen übernehmen müssen. Dies<br />
kann zur Überhitzung und Zerstörung von GTO-<br />
Thyristoren führen.<br />
Da der Abschaltstrom relativ hoch ist und wie<br />
erwähnt zur Zerstörung der GTO-Thyristoren führen<br />
kann, ist für die Ansteuerung eine spezielle<br />
Steuerelektronik erforderlich. Durch die<br />
Abschaltmöglichkeiten wird die Löschung, die bei<br />
normalen Thyristoren erfolgt, vermieden.<br />
Eingesetzt werden GTO-Thyristoren in der<br />
Leistungselektronik, speziell in der IGBT-Technik zur<br />
Schaltung von Strömen bis zu 1.000 Ampere. Eine<br />
Weiterentwicklung des GTO-Thyristors ist der<br />
Integrated Gate Communicated Thyristor (IGCT).<br />
Hochspannungs-IC<br />
HVIC, high-voltage<br />
integrated circuit<br />
Aufbau und Schaltzeichen des GTO-<br />
Thyristors<br />
High-Voltage Integrated Circuits (HVIC) sind<br />
monolithische Hochspannungs-ICs für Spannungen<br />
von 500 V und höher.<br />
Diese integrierten Schaltungen werden in der Motorsteuerung, in Treiber-Schaltungen,<br />
Schaltnetzteilen, Schutzschaltungen, in der Überspannungstechnik, sowie der Audio- und<br />
Ultraschalltechnik in industriellen Anwendungen und in der Medizin eingesetzt. Sie werden in<br />
verschiedenen SO-Packages hergestellt und können Treiberströme von einigen Ampere<br />
schalten.<br />
7
Leistungselektronik<br />
IGBT, insulated gate<br />
bipolar transistor<br />
Aufbau eines IGBTs<br />
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) sind Leistungshalbleiter, die in der<br />
Leistungselektronik, Energie- und HGÜ-Technik eingesetzt werden. Sie wurden 1979 erstmals<br />
vorgestellt und haben sich zwischenzeitlich, bedingt durch technologische und<br />
verfahrenstechnische Weiterentwicklungen zu elektronischen Hochleistungskomponenten<br />
entwickelt. Der Leistungsbereich der IGBTs ist durch den Spannungsbereich zwischen<br />
mehreren hundert Volt und mehreren Kilovolt gekennzeichnet, der Strombereich übersteigt<br />
einige Kilo-Ampere. Eingesetzt werden sie u.a. als Leistungs-Halbleiterschalter in<br />
Motorantrieben, Zugkraftsteuerungen, USV-Systemen und Schaltnetzteilen.<br />
8
Leistungselektronik<br />
IGBTs zeichnen sich aus durch geringste Leistungsverluste im Durchlass- und Sperrzustand,<br />
sie benötigen nur geringe Ansteuerungsleistungen und haben einen hohen Wirkungsgrad, der<br />
maßgeblich von der Schatfrequenz bestimmt wird. IGBTs werden bei Spannungen zwischen<br />
600 V und 6 kV eingesetzt und arbeiten mit Schaltfrequenzen von 2 kHz bis 50 kHz. Damit sie<br />
eine möglichst geringe Steuerleistung benötigen, werden technologisch MOSFET-Gates<br />
benutzt, was als weiteren Vorteil die hohe Eingangsimpedanz mit sich bringt.<br />
IGBTs sind ähnlich aufgebaut wie MOSFETs, es gibt sie als n-Kanal- oder p-Kanal-Version. Der<br />
wesentliche Unterschied gegenüber MOSFETs liegt darin, dass die p- und n-Zonen doppelt<br />
diffundiert sind und dass für den Kollektor, resp. die Drain, ein p(+)-Substrat-Layer benutzt<br />
wird. Da aus der p(+)-Zone Löcher in die n-dotierte Zone driften, ändert sich das Verhalten<br />
entsprechend wie bei einem bipolaren Bauteil.<br />
Der On/Off-Zustand eines IGBTs wird wie bei einem MOSFET durch die Gatespannung<br />
gesteuert. Ist die Gatespannung niedriger als die Emitterspannung, wird der Übergang<br />
zwischen Emitter und Gate gesperrt und<br />
es fließt kein Strom durch den IGBT, er<br />
ist „Off“. Alle angelegten Spannungen<br />
liegen dann an dem entgegengesetzt<br />
vorgespannten Übergang zwischen dem<br />
Gate und der Drift-Zone. Es fließt<br />
lediglich ein geringer Leckstrom. Die<br />
Vorwärts-Durchbruchspannung wird durch<br />
die Durchbruchspannung dieses<br />
IGBT-Modul von Semikron<br />
Übergangs bestimmt. Dies ist wichtig, da<br />
9
Leistungselektronik<br />
die Halbleiter-Leistungskomponenten mit hohen Spannungen und Strömen arbeiten. Die<br />
Durchbruchspannung des Übergangs hängt von den Dotierungen beider Zonen ab.<br />
Zu den Leistungs-Halbleitern zählen Thyristoren, GTO-Thyristoren, MCT-Thyristoren, IGCT-<br />
Thyristoren, Super Junction Transistors (SJT), LASCR, Silicon Controlled Switches (SCS), Static<br />
Induction Transistors (S<strong>IT</strong>) und Static Induction Thyristors (S<strong>IT</strong>H).<br />
Leistungshalbleiter-Komponenten werden in den verschiedensten TO-Packages wie dem TO-3<br />
oder dem TO-220 oder in Modulform geliefert.<br />
IGCT, integrated gate<br />
commutated thyristor<br />
IGCT-Thyristor<br />
Integrated Gate Communicated Thyristors (IGCT) sind Schaltkomponenten der<br />
Leistungselektronik. Ein IGCT-Thyristor entspricht funktional dem GTO-Thyristor, Gate Turn Off.<br />
Es ist ein steuerbarer Leistungsschalter, der über das Gate ein- und ausgeschaltet werden<br />
kann. IGCTs zeichnen sich durch eine hohe Dynamik zwischen dem Ein- (On) und Aus-Zustand<br />
(Off) aus und unterscheiden sich<br />
gegenüber GTO-Thyristoren durch die<br />
schnellere Schaltgeschwindigkeit.<br />
IGCT-Thyristoren bestehen im<br />
Wesentlichen aus zwei elementaren<br />
Teilen: der GCT-Thyristorstruktur und<br />
der Gate-Einheit, die so nah als<br />
möglich am GCT-Teil angebracht ist.<br />
Daher auch die Bezeichnung<br />
Integrated. Die Integration beider<br />
Teile ist notwendig, um störende<br />
IGCT-Thyristor für 10 kV, Foto: ABB<br />
10
Leistungselektronik<br />
Induktivitäten der Gate-Einheit zu minimieren.<br />
Die Vorteile des IGCT-Thyristors liegen in der Steuerbarkeit des Schaltvorgangs, in der relativ<br />
hohen Überlastbarkeit und dem niedrigen Durchlasswiderstand im geschalteten Zustand.<br />
Eingesetzt werden IGCTs in Leistungstreibern, in Wechselrichtern und Umrichtern und in<br />
leistungsstarken Nieder-Frequenzkonvertern.<br />
JFET, junction fieldeffect<br />
transistor<br />
Aufbau und Schaltzeichen des JFET, oben n-dotiert<br />
Der Junction Field-Effect Transsitor<br />
(JFET) hat einen äußerst einfachen<br />
Aufbau und einen hohen<br />
Eingangswiderstand, der geringer<br />
ist als der des MOSFET. Darin ist<br />
auch der Grund zu sehen, warum<br />
JFETs nur begrenzt in diskreten<br />
Schaltungen eingesetzt werden.<br />
Junction-FET s gibt es in zwei<br />
Ausführungen als p-Kanal- und n-<br />
Kanal-JFET. Bei der n-Kanal-<br />
Ausführung besteht der<br />
stromführende Kanal aus n-<br />
dotiertem Silizium, das von dem p-<br />
dotierten Gate eingeschlossen<br />
wird. Beim JFET wird der pn-<br />
Übergang zwischen Gate und n-<br />
11
Leistungselektronik<br />
Kanal negativ vorgespannt und steuert dadurch den Stromfluss zwischen Source und Drain.<br />
Bei der p-Kanal-Ausführung sind die Halbleitermaterialien entsprechend umgekehrt. Das p-<br />
dotierte Silizium wird für den stromführenden Kanal, das n-dotierte für das Gate benutzt.<br />
Die Strom-Spannungs-Kennlinien von JFETs entsprechen im Wesentlichen denen von MOSFETs<br />
mit der Ausnahme, dass die zulässige Source-Gate-Spannung bei 0 V liegt. Im Schaltbild<br />
werden die beiden Ausführungen durch die Richtung des Pfeils zum oder vom Gate kenntlich<br />
gemacht.<br />
Neben den auf Silizium basierenden JFETs wird zunehmend Siliziumcarbid (SiC) als<br />
Halbleitermaterial eingesetzt, da durch die geringere Verlustleistungen Leistungs-JFETs für die<br />
Leistungselektronik hergestellt werden können.<br />
LASCR, light activated<br />
silicon controlled<br />
rectifier<br />
Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR) sind durch Licht aktivierte Thyristoren<br />
(SCR), Light Activated SCRs, die auch als Light Triggered Thyristor (LTT) bezeichnet werden.<br />
Sobald das auf den Gleichtrichter fallende Licht einen bestimmten Schwellwert überschreitet,<br />
lässt der LASCR den Strom in einer Richtung passieren.<br />
Vom Aufbau her bestehen LASCRs aus Anode, Kathode und der Steuerelektrode, dem Gate.<br />
Funktional bleibt der LASCR solange in seinem leitenden Zustand, wie Licht auf ihn fällt. Sinkt<br />
die Helligkeit des einfallenden Lichts unter einen Schwellwert, sperrt der LASCR den<br />
Stromfluss. Die höchste Empfindlichkeit haben LASCRs bei offenem Gate. Außerdem können<br />
LASCRs mit einem Puls auf das Gate getriggert werden und arbeiten dann vergleichbar<br />
konventionellen Thyristoren (SCR). LASCRs werden in lichtgesteuerten Einrichtungen und<br />
Dämmerungsschaltern eingesetzt.<br />
12
Leistungselektronik<br />
Leistungselektronik<br />
Der Begriff Leistungselektronik bezeichnet ein großes Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich<br />
mit Hilfe von Halbleiterbauelementen mit Steuern, Umformen und Schalten von elektrischer<br />
Energie befasst. Die Leistungsbereiche sind in der Leistungselektronik nicht fest definiert, sie<br />
reichen aber von einem Spannungsbereich von 5 V bis etwa 400 kV und einem Strombereich<br />
von 500 mA bis 6 kA. In der Leistungsübertragung reicht der Bereich der übertragbaren<br />
Leistung von weniger als einem Watt bei Spannungsreglern, Relais- oder Ventiltreibern bis zu<br />
mehreren Gigawatt bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).<br />
In der Antriebstechnik spielt die Leistungselektronik eine wichtige Rolle. In vielen Bereichen<br />
werden große Antriebe leistungselektronisch gesteuert oder in der Energieerzeugung werden<br />
Frequenzumrichter zur direkten Netzeinspeisung eingesetzt. Darüber hinaus ist die<br />
Leistungselektronik ein wichtiges Bindeglied zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch<br />
und trägt einen Beitrag dazu, den immer teurer werdenden Rohstoff Energie sparsam<br />
einzusetzen. Sie hat die Aufgabe, die erzeugte Energie effizient und zuverlässig zum<br />
Verbraucher zu bringen. Dazu tragen Stellglieder bei, die die Spannungspegel und -frequenzen<br />
möglichst ohne Verluste an die unterschiedlichen Energienetze anpassen. Der Wirkungsgrad<br />
dieser Spannungsumformer reduziert die übertragene Energie.<br />
Bei Bauelementen der Leistungselektronik handelt es sich um Leistungshalbleiter die Strom<br />
und Spannungen schalten. Häufig verwendet werden: Leistungsdioden, Leistungstransistoren<br />
sowohl bipolare Transistoren als auch Feldeffekttransistoren (FET), Junction Field-Effect<br />
Transistors (JFET), Super Junction Transistors (SJT), Leistungs-MOSFET, GTO-Thyristoren,<br />
Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT), eine Weiterentwicklung des GTO-Thyristors<br />
zur Verringerung des Schaltungsaufwandes, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) und<br />
Thyristoren (Diac/Triac).<br />
13
Leistungselektronik<br />
Bipolare Transistoren, MOSFETs und SBR-Dioden werden in Schaltnetzteilen und DC/DC-<br />
Wandlern eingesetzt, GTO-Thyristoren und IGCT-Thyristoren in der Stromrichtertechnik. Die<br />
Anforderungen an leistungselektronische Bauelemente sind hohe Sperrspannungen, niedrige<br />
Schaltverluste und vor allem hohe Schaltströme.<br />
Leistungshalbleiter<br />
Leistungshalbleiter sind Halbleiter-Bauelemente, die speziell für das Schalten von hohen<br />
Strömen und Spannungen entwickelt wurden. Während konventionelle Halbleiter Ströme unter<br />
1 A und Spannungen<br />
von bis zu 100 V<br />
schalten, sind diese<br />
willkürlich gewählten<br />
Werte die unteren<br />
Grenzwerte für<br />
Leistungshalbleiter.<br />
Nach oben hin liegen<br />
die derzeit<br />
realisierbaren<br />
technischen Grenzen<br />
bei Schaltspannungen<br />
von 10 kV und mehr<br />
und bei Schaltströmen<br />
von mehreren Kilo-<br />
Arbeitsbereiche von Leistungshalbleitern<br />
Ampere. Daher<br />
14
Leistungselektronik<br />
werden Leistungshalbleiter ausschließlich in der Energie-, Antriebs- und<br />
Hochspannungstechnik eingesetzt.<br />
Leistungshalbleiter haben sich seit den 50er Jahren parallel zu konventionellen Halbleitern<br />
entwickelt und werden primär durch Vielschicht-Halbleiter gebildet. Die Entwicklung hat vom<br />
bipolaren Transistor über den MOSFET und den Thyristor hin zu den leistungsstarken Insulated<br />
Gate Bipolar Transistors (IGBT), GTO-Thyristoren und IGCT-Thyristoren geführt. Diese<br />
Leistungshalbleiter unterscheiden sich in ihren Schaltspannungen und -strömen, und in ihren<br />
Schaltleistungen und -frequenzen. Erstere können bei Thyristoren weit über 10 Mega-<br />
Voltampere (MVA), auch IGBTs erreichen durchaus bis 5 MVA und MOSFETs etwa 20 kVA. Je<br />
höher die Schaltleistung, desto geringer ist die Schaltfrequenz. Während diese bei Thyristoren<br />
unter 1 kHz liegt, steigt sie bei IGBTs auf ca. 100 kHz und bei MOSFETs auf weit über 100<br />
MHz.<br />
Leistungskondensator<br />
Leistungskondensatoren sind besonders spannungsfeste Kondensatoren, die in der<br />
Hochfrequenz-, Leistungs-, Energie- und HGÜ-Technik eingesetzt werden. Neben der höheren<br />
Spannungsfestigkeit zeichnen sich Leistungskondensatoren in aller Regel auch durch hohe<br />
Kapazitätswerte aus.<br />
Die Bezeichnung Leistungskondensator ist nicht spezifiziert in Bezug auf die genannten<br />
Kennwerte, sie ist vielmehr durch die Einsatzgebiete in der Nieder- und Hochspannungstechnik<br />
geprägt und wird für Kondensatoren benutzt, deren Blindleistung über 200 Var (Voltage-<br />
Ampere Reactive) liegt und durchaus mehrere Kilo-Var erreichen kann.<br />
Waren frühere Leistungskondensatoren wegen ihrer Selbstheilung Metallpapierkondensatoren,<br />
so werden heute thermoplastische Kunststofffolien aus Polyethylenterephthalat (PET),<br />
Polycarbonat (PC), Polyethylennaphthalat (PEN) und Polypropylen (PP) benutzt. Sie haben<br />
15
Leistungselektronik<br />
eine hohe Durchschlagfestigkeit von ca. 600 V/µm, einen hohen Durchgangswiderstand von<br />
10exp17 und höher, und können in einem großen Temperaturbereich zwischen -50 °C und etwa<br />
100 °C eingesetzt werden.<br />
MCT, MOS controlled<br />
thyristor<br />
Wie der GTO-Thyristor ist auch der MCT-Thyristor (MOS Controlled Thyristor) ein Thyristor-<br />
Schalter, der aus dem GTO-Thyristor entwickelt wurde. Der GTO-Thyristor benötigt eine<br />
umfassendere Steuerelektronik für den relativ hohen Steuerstrom bei der Abschaltung. Diesen<br />
Nachteil behebt der MCT-Thyristor, der über MOSFETs an- und abgeschaltet wird. Im Ein-<br />
Zustand haben MCTs geringe Verluste und können hohe Ströme schalten.<br />
MCT-Thyristoren sind vergleichbar den Silicon Controlled Rectifier (SCR) mit isoliertem Gate,<br />
was die Steuerelektronik für die Treiberschaltungen wesentlich vereinfacht. Bedingt durch die<br />
MOSFET-Ansteuerung haben sie eine höhere Schaltgeschwindigkeit als SCRs.<br />
MOSFET, metal oxide<br />
semiconductor field<br />
effect transistor<br />
Aufbau eines MOSFETs<br />
MOSFET beschreibt einen<br />
Feldeffekttransistor in MOS-Technologie.<br />
Mit der MOS-Technologie können<br />
Transistoren hergestellt werden deren<br />
Steuerelektrode durch eine<br />
Metalloxydschicht vom Basismaterial<br />
getrennt ist und den Stromfluss im<br />
Basismaterial über elektrische Felder<br />
steuert. Bedingt durch die strommäßige<br />
Trennung von Basismaterial und<br />
16
Leistungselektronik<br />
Steuerelektrode, dem Gate, erfolgt die Steuerung über das elektrische Feld leistungslos.<br />
Die Elektroden eines MOSFETs sind die Source als emittierende Elektrode, das Gate als<br />
steuernde und die Drain als aufnehmende Elektrode, die dem Kollektor eines Transistors<br />
entspricht. Die in den 60er Jahren entwickelten MOSFETs waren aus Silizium resp.<br />
Siliziumdioxid, später, Mitte der 80er Jahre, wurde das Gate aus polykristallinem Silizium,<br />
Polysilizium, hergestellt.<br />
MOSFETs zeichnen sich durch extrem hohe Impedanzen und geringen Leistungsverbrauch aus,<br />
was eine geringere Wärmeentwicklung mit sich bringt. Eine Stromaufnahme erfolgt nur im<br />
Schaltzustand; im statischen Zustand fließt kein Strom durch die Gatter. Der<br />
Durchschaltwiderstand liegt im einstelligen Milli-Ohm-Bereich. Die Schaltzeiten liegen bei<br />
etwa 10 ns.<br />
Der Vorteil der MOS-Technologie, die es als PMOS-Technologie mit P-Kanal-FETs und als NMOS-<br />
Technologie mit N-Kanal-FETs gibt, liegt darüber hinaus in dem großen<br />
Versorgungsspannungsbereich, der durchaus mehrere hundert Volt betragen kann.<br />
Bedingt durch die hohe Impedanz sind diese Logiken besonders empfindlich gegenüber<br />
statischen Aufladungen. Alle Ein- und Ausgänge sollten daher nicht potentialfrei betrieben<br />
werden.<br />
SCS, silicon controlled<br />
switch<br />
Der Silicon Controlled Switch (SCS) ist ein Vierschicht-Bauelement, vergleichbar einem<br />
Thyristor oder dem GTO-Thyristor. Im Gegensatz zu den genannten hat der SCS-Thyristor zwei<br />
steuerbare Gate-Anschlüsse, das Anoden-Gate und das Kathoden-Gate, und wie die<br />
konventionellen Thyristoren eine Kathode und eine Anode. Über die beiden Gates kann der<br />
SCS-Thyristor ein- und ausgeschaltet werden.<br />
17
Leistungselektronik<br />
Liegt zwischen dem Kathoden-Gate und der Kathode eine positive Spannung, schaltet sich der<br />
SCS-Thyristor ein, ausgeschaltet wird er wenn die Anode und Kathode auf gleiches Potential<br />
gelegt werden.<br />
Siliziumcarbid<br />
SiC, silicon carbide<br />
Siliziumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das in Leistungshalbleitern eingesetzt wird,<br />
besonders in der Leistungselektronik bei hohen Spannungen, Strömen und Temperaturen.<br />
Siliziumcarbid hat zwischen Leitungsband und Valenzband eine hohe Bandlücke von 3,1<br />
Elektronenvolt (eV) und erlaubt dadurch hohe Sperrschichttemperaturen und -spannungen.<br />
Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit besser als die von Silizium. Siliziumcarbid kann bei<br />
Temperaturen bis 300 °C eingesetzt werden. Der optimale Spannungsbereich liegt zwischen<br />
600 V und 2 kV.<br />
Darüber hinaus zeichnet sich Siliziumcarbid durch eine hohe kritische Feldstärke aus, die<br />
entscheidend ist für die Dicke der Halbleiterschicht und deren Dotierung, damit eine<br />
bestimmte Sperrspannung erreicht wird. Im Unterschied zu Silizium kann die Siliziumcarbid-<br />
Schicht dünner sein, was zu einer wesentlichen Reduzierung des Durchgangswiderstandes im<br />
Schaltzustand und damit zur Verringerung der Verlustleistung beiträgt.<br />
Eingesetzt wird Siliziumcarbid in Leistungshalbleitern in Feldeffekttransistoren (FET), Junction<br />
Field-Effect Transistoren (JFET), Super Junction Transistors (SJT), Schottky-Dioden und IGBTs.<br />
Aus Siliziumcarbid können u.a. SJT-Transistoren für Spannungen von über 10 kV, bei Strömen<br />
von 10 A und Betriebstemperaturen von bis zu 300 °C hergestellt werden. Durch Siliziumcarbid<br />
kann beispielsweise der Wirkungsgrad von Wechselrichtern in Photovoltaikanlagen um über 50<br />
% gesteigert werden. Außerdem kann die Frequenz um den Faktor 4 und höher erhöht und<br />
damit die Größe wesentlich verringert werden, zumal die Baugruppe bei wesentlich höheren<br />
Temperaturen betrieben werden kann.<br />
18
Leistungselektronik<br />
S<strong>IT</strong>, static induction<br />
transistor<br />
Der Static Induction Transistor (S<strong>IT</strong>) ist ein leistungsstarker Transistor. Der S<strong>IT</strong> hat durch<br />
seinen Aufbau eine sehr geringe Gate-Kapazität und einen geringen Gate-Reihenwiderstand<br />
und weist nur einen kleinen thermischen Widerstand aufweist. Es ist ein rauscharmer<br />
Transistor mit geringen Verzerrungen der als Leistungsverstärker im Audio-Bereich eingesetzt<br />
wird. Die Transition-Zeiten liegen unterhalb von einer Mikrosekunde.<br />
SJT, super junction<br />
transistor<br />
SJT-Transistor<br />
Super Junction Transistoren (SJT) sind stromgesteuerte Leistungstransistoren für Spannungen<br />
bis 10 kV und darüber. Bedingt durch ihre geringe Gate-Kapazität haben SJT-Transistoren<br />
extrem kurze Schaltzeiten und eignen sich daher ideal als Leistungsschalter in<br />
Schaltnetzteilen, USV-Systemen, Elektromobilen und anderen Anwendungen in denen hohe<br />
Ströme geschaltet werden müssen.<br />
Super Junction Transistoren sind bipolare Transistoren aus Siliziumcarbid (SiC-BJT). SJTs sind<br />
im Normalzustand OFF, sie haben eine revers vorgespannte Safe Operating Area (SOA) und<br />
einen geringfügig positiven Temperaturkoeffizienten. Die Stromsteuerung arbeitet mit einem<br />
geringen Gate-Strom und die Schaltfrequenz kann weit über 10 MHz betragen. Weitere<br />
Features von SJT-Transistoren sind deren Arbeitstemperaturbereich, der bis 300 °C reicht, der<br />
geringe Innenwiderstand von wenigen hundert Milli-Ohm und die Schaltzeiten von etwa 10 ns.<br />
Sie sind sehr robust und können Kurzschlusszeiten von über 20 µs unbeschadet überstehen.<br />
Snubberglied<br />
snubber<br />
Snubber heißt übersetzt Puffer. Der Snubber-Kondensator ist ein Kondensator, der<br />
unerwünschte Schwingungen, Spannungsspitzen, Überspannungen und hochfrequente<br />
Störungen dämpft, weswegen er auch zur Funkenlöschung benutzt wird. Snubberglieder sind<br />
eine Reihenschaltung aus dem Snubber-Kondensator und einem Widerstand. Als RC-Glied wird<br />
19
Leistungselektronik<br />
es als Entstörglied an Schaltkontakten, in der Kfz-Elektronik, in Audio-Verstärkern sowie in<br />
Umrichtern mit Thyristoren und IGBTs eingesetzt, vor allem dort, wo induktive Lasten<br />
geschaltet werden. Je nach Anforderung kann das Snubberglied auch nur aus einem Snubber-<br />
Kondensator bestehen.<br />
Thyristor<br />
SCR, silicon controlled<br />
rectifier<br />
Der Thyristor (SCR), auch Vierschichtdiode, Thyristordiode oder Silicon Controlled Rectifier<br />
(SCR) genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das als elektronischer Schalter eingesetzt wird.<br />
Der Thyristor kennt zwei Zustände: den leitenden und den nichtleitenden, die durch eine<br />
Steuerelektrode ausgelöst werden können.<br />
Der Thyristor ist ähnlich aufgebaut wie eine Reihenschaltung aus mehreren Dioden, bestehend<br />
aus vier Schichten, daher auch die Bezeichnung Vierschichtdiode, mit wechselnder p-n-p-n-<br />
Dotierung. Der Thyristor hat drei Elektroden, neben der Kathode und der Anode noch den<br />
Steueranschluss (G). Der Steueranschluss kann n- oder p-gesteuert sein, d.h. er setzt<br />
funktional an der Anode (n-gesteuert) oder der Kathode (p-gesteuert) an. Bei dem p-<br />
gesteuerten Thyristor ist der Steuerimpuls positiv. Dieser Impuls schaltet den Thyristor in den<br />
niederohmigen, leitenden Zustand, wodurch der Widerstandswert in den Milliohm-Bereich fällt.<br />
Erst wenn der Haltestrom unterschritten wird, werden die Halbleiterstrecken hochohmig und<br />
nichtleitend. Der hochohmige Zustand ist dann gegeben, wenn an der Anode eine negative<br />
Spannung anliegt. Im niederohmigen Zustand liegt an der Anode eine positive Spannung, die<br />
erst bei Überschreiten eines bestimmten Potentials zwischen Anode und Kathode den<br />
Thyristor in den leitenden Zustand schaltet.<br />
Eingesetzt werden Thyristoren als kontaktlose Schalter und steuerbare Gleichrichter in<br />
Schaltnetzteilen, Dimmern und Impulsschaltungen. Die Zündspannung arbeitet mit etwa 3 V,<br />
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Leistungselektronik<br />
die Schaltströme reichen bis über 1.000 A bei Sperrspannungen von 1.000 V. Leistungs-<br />
Thyristoren können Spannungen von weit über 10 kV und Ströme von mehreren Kilo-Ampere<br />
(kA) schalten.<br />
Es gibt spezielle Thyristor-Schalter, wie die lichtgesteuerten Thyristoren (LTT), die MCT-<br />
Thyristoren, die GTO-Thyristoren, die in der IGBT-Technik eingesetzt werden. Eine<br />
Weiterentwicklung der GTO-Thyristoren sind die IGCT-Thyristoren, die sich durch schnellere<br />
Ersatzschaltbild, Schaltzeichen und Kennlinien des Thyristors<br />
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Leistungselektronik<br />
Schaltzeiten auszeichnen. Darüber hinaus gibt es mit der Breakover Diode (BOD) eine<br />
Thyristorvariante, die für die Ableitung von Strömen eingesetzt wird und bei Ableitströmen in<br />
den leitenden Zustand übergeht.<br />
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Impressum Leistungselektronik<br />
Urheber<br />
Klaus Lipinski, Dipl.-Ing.<br />
Datacom-Buchverlag GmbH<br />
84378 Dietersburg<br />
ISBN: 978-3-89<strong>23</strong>8-259-1<br />
Leistungselektronik<br />
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