AN2012-01 Ask Infineon. Get connected with the answers. Where you need it. When you need it. Infineon offers its toll-free 0800/4001 service hotline as one central number, available 24/7 in English, Mandarin and German. Our global connection service goes way beyond standard switchboard services by offering qualified support on the phone. Call us! nGermany ...................... 0800 951 951 951 (German/English) n China, mainland .......... 4001 200 951 (Mandarin/English) nIndia ........................... 000 800 4402 951 (English) nUSA ............................. 1-866 951 9519 (English/German) n Other countries ............ 00* 800 951 951 951 (English/German) n Direct access ............... +49 89 234-0 (interconnection fee, German/English) * Please note: Some countries may require you to dial a code other than “00” to access this international number, please visit www.infineon.com/service for your country! Where to Buy Infineon Distribution Partners and Sales Offices Please use our location finder to get in contact with your nearest Infineon distributor or sales office. www.infineon.com/WhereToBuy www.ifbip-shop.com Technische Information Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG …for energy efficiency! Bipolare Halbleiter Published by Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG Max-Planck-Str. 5 59581 Warstein Tel. +49 (0) 2902 98 99-0 Fax +49 (0) 2902 98 99-2482 © 2012 Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG. All Rights Reserved. Visit us: www.ifbip.com · www.ifbip-shop.com Order Number: B157-H9717-X-X-7400 Date: 04 / 2012 Attention please! The information given in this document shall in no event be regarded as a guarantee of conditions or characteristics (“Beschaffenheitsgarantie”). With respect to any examples or hints given herein, any typical values stated herein and/ or any information regarding the application of the device, Infineon Technologies hereby disclaims any and all warranties and liabilities of any kind, including without limitation warranties of non-infringement of intellectual property rights of any third party. Information For further information on technology, delivery terms and conditions and prices please contact your nearest Infineon Technologies Office (www.infineon.com). Warnings Due to technical requirements components may contain dangerous substances. For information on the types in question please contact your nearest Infineon Technologies Office. Infineon Technologies Components may only be used in life-support devices or systems with the express written approval of Infineon Technologies, if a failure of such components can reasonably be expected to cause the failure of that life-support device or system, or to affect the safety or effectiveness of that device or system. Life support devices or systems are intended to be implanted in the human body, or to support and/or maintain and sustain and/or protect human life. If they fail, it is reasonable to assume that the health of the user or other persons may be endangered. www.ifbip.com · www.ifbip-shop.com Produkte und Innovationen Höchste Zuverlässigkeit und Effizienz bei einer Kerntechnologie sind immer nur eine Momentaufnahme. Wir verstehen dieses Optimum als stetige Aufgabe. Bei IFBIP haben wir mit unseren Technologien und den daraus entstandenen Produkten auf dieser Basis übergreifende Standards in Leistungsklassen von ca. 10kW bis über 30MW pro Bauelement gesetzt. Dazu zählen unter anderem: ■ ■ ■ ■ PowerBLOCK–Module in Druckkontakttechnologie mit Strömen bis zu 1100 Ampere Dioden und Thyristoren mit einem Siliziumdurchmesser bis sechs Zoll und Sperr spannungen bis 9500 Volt Lichtzündbare Thyristoren mit integrierten Schutzfunktionen Freilaufdioden für höchste Anforderungen in schnellschaltenden Anwendungen, wie z.B. mit IGBTs oder IGCTs 600A/9,5kV Thyristor Technologie für Sanft-Anlasser und Stromversorgungen Dieser 9,5kV Thyristor ist ausgelegt und entwickelt für die besonderen Anforderungen in Sanft-Anlasser-Anwendungen so wie Stromversorgungen für Mittelspannungsnetze. Bei diesen Anwendungen ist die Serienschaltung von mehreren Thyristoren erforderlich. Sie wurden optimiert für eine möglichst gleichmäßige Spannungsaufteilung unter allen Betriebszuständen. Die Bauelemente sind für eine hohe Stoßstromfestigkeit ausgelegt. Um eine enge Streuung der dynamischen Parameter sicher zu stellen und damit kostenoptimierte Schaltungen (möglichst wenige Thyristoren in Serie erforderlich) entwickeln zu können, kommen für diese Thyristoren ausschließlich neueste Herstellungs-Prozesse zum Einsatz. Natürlich sind diese Thyristoren auch bestens geeignet für All-Zweck-NetzgleichrichterAnwendungen, wie zum Beispiel für Stromversorgungen und elektrische Antriebssteuerungen. Inhaltsverzeichnis 1.Einleitung 1.1Diode 1.2Thyristor 2. Typen- und Polaritätsbezeichnung 2.1Bezeichnung der Anschlüsse 2.2Bauformen 2.2.1Allgemein 2.2.2Scheibenzellen 2.2.3PowerBLOCK-Modul 2.2.4 Schraubsockel- und Flachbodengehäuse 3. Elektrische Eigenschaften 3.1Vorwärtsrichtung 6 6 7 9 9 9 9 9 9 10 11 11 3.1.1 Vorwärts-Sperrstrom iD 3.1.2 Vorwärts-Sperrspannung vD 11 11 3.1.3 Kippspannung V(BO) 3.1.4 Nullkippspannung V(BO)0 3.1.5 Haltestrom IH 3.1.6 Einraststrom IL 3.1.7 Durchlassstrom iT, ITAV, ITRMS iF, IFA , IFRMS 3.1.8 Durchlassspannung vT, vF 3.1.9Durchlasskennlinie 3.1.10 Ersatzgerade mit VT(TO), VF(TO) und rT 3.1.11 Dauergrenzstrom ITAVM, IFAVM 3.1.12 Grenzeffektivstrom ITRMSM, IFRMSM 3.1.13 Überstrom IT(OV), IF(OV) 3.1.14 Grenzstrom IT(OV)M, IF(OV)M 3.1.15 Stoßstrom-Grenzwert ITSM, IFSM 3.1.16 Grenzlastintegral ∫i²dt 13 13 13 13 13 14 14 14 15 15 15 15 16 17 3.1.2.1 Periodische Vorwärts-Spitzensperrspannung VDRM 3.1.2.2 Vorwärts-Stoßspitzensperrspannung VDSM 3.1.2.3 Vorwärts-Gleichspannung VD (DC) 3.2Rückwärtsrichtung 3.2.1 Rückwärts-Sperrstrom iR 3.2.2 Rückwärts-Sperrspannung vR 3.2.2.1 Periodische Rückwärts-Spitzensperrspannung VRRM 3.2.2.2 Rückwärts-Stoßspitzensperrspannung VRSM 3.2.2.3 Rückwärts-Gleichsperrspannung VR (DC) 3.3Steuereigenschaften von Thyristoren 11 13 13 18 18 18 18 18 18 19 3.3.1 Positive Ansteuerung 19 3.3.1.1 Steuerstrom iG 3.3.1.2 Steuerspannung VG 3.3.1.3 Zündstrom IGT 19 19 19 1 3.3.1.4 Zündspannung VGT 3.3.1.5 Nicht zündender Steuerstrom IGD 3.3.1.6 Nicht zündende Steuerspannung VGD 3.3.1.7Steuercharakteristik 3.3.1.8Steuergenerator 3.3.1.9 Mindestdauer des Steuerimpulses tgmin 3.3.1.10 Höchstzulässige Spitzensteuerleistung 3.4Trägheits- und Schaltverhalten 24 3.4.1 Einschalten 24 3.4.1.1Diode 24 3.4.1.2Thyristor 25 3.4.1.1.1 3.4.1.1.2 3.4.1.2.1 3.4.1.2.2 3.4.1.2.3 3.4.1.2.4 Spitzenwert der Durchlassverzögerungsspannung VFRM Durchlassverzögerungszeit tfr Zündverzugszeit tgd Kritische Stromsteilheit (di/dt)cr Periodischer Einschaltstrom IT(RC)M Kritische Spannungssteilheit (dv/dt)cr 3.4.2Ausschalten 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.2.3 3.4.2.4 Sperrverzögerungsladung Qr Rückstromspitze IRM Sperrverzögerungszeit trr Freiwerdezeit tq 3.5Verlustleistungen 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 Gesamtverlustleistung Ptot Sperrverlustleistung PD, PR Durchlassverlustleistung PT, PF Schaltverlustleistung PTT, PFT+PRQ 3.5.4.1 Einschaltverlustleistung PTT, PFT 3.5.4.2 Ausschaltverlustleistung PRQ 3.5.5 Steuerverlustleistung PG 25 25 26 26 27 27 27 27 29 30 30 33 33 33 33 34 34 35 35 3.6Isolationsprüfspannung VISOL 35 4. Thermische Eigenschaften 36 4.1Temperaturen 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 Sperrschichttemperatur Tvj, Tvj max Gehäusetemperatur TC Kühlkörpertemperatur TH Kühlmitteltemperatur TA Betriebstemperaturbereich Tcop Lagertemperaturbereich Tstg 4.2Wärmewiderstände 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 2 19 19 19 20 20 23 23 Innerer Wärmewiderstand RthJC Übergangswärmewiderstand RthCH Kühlkörperwärmewiderstand RthCA Gesamtwärmewiderstand RthJA Transienter innerer Wärmewiderstand ZthJC Transienter Kühlkörperwärmewiderstand ZthCA Transienter Gesamtwärmewiderstand ZthJA 36 36 36 37 37 37 37 37 37 37 38 38 38 38 39 4.3Kühlung 39 4.3.1 Natürliche Luftkühlung 4.3.2 Verstärkte Luftkühlung 4.3.3Wasserkühlung 4.3.4Ölkühlung 5. Mechanische Eigenschaften 39 39 39 39 40 5.1Anzugsdrehmoment 5.2Anpresskraft 5.3Kriechstrecke 5.4Feuchteklasse 5.5Schwingfestigkeit / Vibration 5.6UL-Zulassung 6.Einsatzhinweise 40 40 40 40 40 40 41 6.1Gehäusegrenzstrom 6.2Thermische Lastwechsel 6.3Parallelschaltung 6.4Reihenschaltung 6.5Pulsed Power 41 41 42 44 47 6.5.1 Anwendungen mit Gleichspannung 6.5.2 Stromsteilheit beim Einschalten 6.5.3Durchschwingen von Strom und Spannung durch Null während des Einschaltvorganges. 6.5.4 Ausschalten mit hohem di/dt gegen negative Spannung 7.Schutz 7.1Überspannungsschutz 47 47 47 47 49 49 7.1.1 Einzelbeschaltung (RC-Beschaltung) 49 7.1.2 Eingangsbeschaltung für Stellerschaltungen 52 7.1.3 Eingangsbeschaltung netzgeführter Stromrichter 53 7.1.4Zusätzliche Schutzmöglichkeiten gegen energiereiche Überspannungen55 7.2Überstromschutz 7.2.1 Kurzzeitschutz mittels superflinker Halbleitersicherungen 7.2.1.1 Auswahl von Sicherungen 56 56 56 7.2.2Weitere Schutzkonzepte Kurzzeitschutz von Hochleistungshalbleitern 59 7.2.2.1Gleichstromschnellschalter 7.2.2.2 Elektronischer Kurzschließer (Crowbar) 7.2.2.3 Netzseitiger Leistungsschalter 7.2.2.4 Sperren der Zündimpulse (Gittersperre) 59 59 59 59 7.2.3Langzeitschutz 7.2.4 Voll angepasster Schutz 59 59 3 7.3Dynamische Strombegrenzung durch Induktivitäten im Hauptkreis 7.4Störimpulse im Steuerkreis reduzieren 8. Montage 8.1Scheibengehäuse 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 Montage von Scheibenzellen Anordnung der Kühlkörper Anschluss von Stromzuführungen Anschluss der Steuerleitungen 8.2Schraubsockelgehäuse 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 Montage von Schraubsockelgehäusen Anordnung der Kühlkörper Anschluss von Stromzuführungen Anschluss der Steuerleitungen 8.3Flachbodengehäuse 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Montage von Flachbodengehäusen Anordnung der Kühlkörper Anschluss von Stromzuführungen Anschluss der Steuerleitungen 8.4PowerBLOCK-Module 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 Montage der PowerBLOCK-Module Anordnung der Kühlkörper Anschluss von Stromzuführungen Anschluss der Steuerleitungen 9. Wartung 10. Lagerung 11.Typenbezeichnung 12.Schaltungsarten A1.Kurzzeichen A2.Abbildungsverzeichnis A3.Tabellenverzeichnis A4.Nutzungsbedingungen 4 60 61 62 62 62 66 66 67 67 67 67 68 68 68 68 69 69 69 69 69 69 70 70 70 70 71 72 74 76 78 79 Vorwort Leistungshalbleiter sind die zentralen Bauelemente der Stromrichtertechnik. Durch die stetige Weiterentwicklung finden diese Bauelemente Einsatz in immer neuen und aufwendigeren Applikationen. Aufgrund der an uns herangetragene Anregungen und Fragen haben wir diese technische Information als Nachschlagewerk erstellt. Diese technische Information erläutert alle wesentlichen Fachbegriffe der bipolaren Leistungshalbleiter (Dioden und Thyristoren) und stellt so eine Arbeits- und Auslegungshilfe sowie ein Nachschlagewerk für die Entwicklung und Projektierung von Stromrichterschaltungen mit bipolaren Bauelementen dar. Sie richtet sich an den entsprechenden Personenkreis in Industrie, Forschung, Entwicklung und Ausbildung. Allgemeine Informationen zu Stromrichtern, deren Schaltungen und Eigenarten sind den einschlägigen Fachbüchern zu entnehmen. Wir verweisen auch hier auf die entsprechenden Normen, die stets in Ihrer aktuellen Fassung zu berücksichtigen sind. Die aktuellen technischen Daten der Infineon Leistungshalbleiter können unter www.Infineon.com abgerufen werden. Diese technischen Informationen sollen zum besseren Verständnis der Begriffe und der Anwendung von Datenblattangaben für bipolare Leistungshalbleiter beitragen. Verwendete Definitionen und Kurzzeichen lehnen sich weitgehend an DIN / IEC / EN an. Wir bitten zu beachten, dass keine Gewähr dafür übernommen wird, dass die hier beschriebenen Schaltungen, Geräte und Verfahren frei von Schutzrechten sind. 5 1. Einleitung Diese technische Information soll detaillierte Definitionen zu den in den Datenblättern gemachten Spezifikationen machen. Weiterhin soll der Anwender dabei unterstützt werden, die Angaben im Datenblatt korrekt für seine Applikation umzusetzen. Die im Folgenden gemachten Angaben gelten allgemein für alle druckkontaktierten Bauelemente (Scheibenzellen und PowerBLOCK-Module) von Infineon. Ausnahmen sind besonders gekennzeichnet. Die hier gemachten Angaben gelten in Anlehnung an die derzeit gültigen Normen und Standards. Technischer Erläuterungen - Bilder 1.1 Diode Eine Diode ist ein Bauelement mit je einer P- und N-leitenden Halbleiterzone. Der PN-Übergang ist verantwortlich für die Grundeigenschaften dieses Halbleiters (siehe Abbildung 1). Diode Anode A + A P N - Kathode K Cathode K K Abbildung 1 Schematischer Aufbau einer Diode Die Kennlinie einer Diode ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie besteht aus zwei Ästen: der Sperrkennlinie und der-Durchlasskennlinie. Technischer Erläuterungen Bilder iF Durchlaßkennlinie High conduction characteristic Abb./Fig.1 Schematischer Aufbau einer Diode vR vF Rückwärts-Sperrkennlinie Reverse blocking characteristic Durchlassrichtung Forward direction Sperrrichtung Reverse Direction iR Abbildung 2 Kennlinien einer Diode Abb./Fig.2 Kennlinien einer Diode 6 Bei Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung im Bereich bis zu mehreren kV fließen Sperrströme im mA-Bereich über die Hauptanschlüsse Anode und Kathode. Bei Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung fließen Ströme bis zu einigen kA über die Hauptanschlüsse Anode und Kathode. Technischer Erläuterungen - Bilder 1.2 Thyristor Ein Thyristor ist ein Bauelement mit insgesamt vier abwechselnd aufeinander folgenden P- und N-leitenden Halbleiterzonen. Diese bilden somit drei PN-Übergänge (siehe Abbildung 3). Thyristor Anode A + P N P N Steueranschluß G Gate G - A G Kathode K Cathode K K Abbildung 3 Schematischer Aufbau eines Thyristors Die Kennlinien eines konventionellen (rückwärts sperrenden) Thyristors sind in Abbildung 4 dargestellt. Sie bestehen aus drei Ästen: der Blockier- und der Durchlasskennlinie in Vorwärtsrichtung und der Sperrkennlinie in Rückwärtsrichtung. Technischer Erläuterungen - Bilder Abb./Fig.3 Schematischer Aufbau eines Thyristors iT,iD Durchlaßkennlinie High conduction characteristic Vorwärts-Sperrkennlinie Forward blocking characteristic IH vR V(BO)O vD, vT Rückwärts-Sperrkennlinie Reverse blocking characteristic Schaltrichtung Forward direction Sperrrichtung Reverse Direction iR Abb./Fig.4 eines Thyristors Abbildung 4 Kennlinien Kennlinien eines Thyristors Wie aus den Kennlinien ersichtlich ist, sperrt der Thyristor zunächst in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Das Sperrvermögen ist im Allgemeinen in beiden Richtungen etwa gleich. Bei Anlegen von Vorwärts - und Rückwärtsspannung im Bereich bis zu mehreren kV fließen nur kleine Sperrströme über die Hauptanschlüsse Anode und Kathode. Ein zusätzlicher Steuerstrom IG zwischen Steueranschluss und 7 Kathode bewirkt bei anliegender Vorwärtsspannung vD, dass der Thyristor zündet, d. h. auf die Durchlasskennlinie einschaltet. Er kann jedoch über den Steueranschluss nicht wieder ausgeschaltet werden. Erst wenn der Durchlassstrom durch Änderungen im Laststromkreis den Haltestrom IH unterschreitet, sperrt der Thyristor wieder Bei Thyristoren wird zwischen 2 Konzepten unterschieden: n Symmetrisch sperrende Thyristoren (SCR → Silicon Controlled Rectifier) Diese Thyristoren haben etwa gleiche Sperrfähigkeit in beiden Richtungen. Die einzelnen Typen sind im Sperrvermögen, in der Stromtragfähigkeit, in der Freiwerdezeit und in der Gate-Kathoden-Struktur verschieden. nAsymmetrisch sperrende Thyristoren (ASCR → Asymmetric Silicon Controlled Rectifier) Diese Thyristoren weisen in Vorwärtsrichtung die volle Sperrfähigkeit und in Rückwärtsrichtung eine sehr niedrige Sperrfähigkeit auf. Der rückwärts sperrende PN-Übergang wird hier durch eine Stoppschicht ersetzt, was eine deutliche Reduzierung der Siliziumdicke ermöglicht. Vorteile gegenüber symmetrisch sperrenden Thyristoren sind eine kürzere Freiwerdezeit bei gleicher Durchlassspannung oder eine niedrigere Durchlassspannung bei gleicher Freiwerdezeit. 8 2. Typen- und Polaritätsbezeichnung 2.1 Bezeichnung der Anschlüsse Technischer Erläuterungen - Bilder Technischer Erläuterungen - Bilder Diode as disc cell, ND or DZ-PowerBLOCK-Module Thyristor as disc cell or TZ-PowerBLOCK-Module Diode als Scheibenzelle Technischer Technischer Erläuterungen Erläuterungen - Bilder - Bilder Thyristor als Scheibenzelle Thyristor als Scheibenzelle Thyristor als TZ-Powerblockmodul Thyristor als TZ-Powerblockmodul DiodeDiode als Scheibenzelle als DZ-Powerblockmodul Diode als DZ-Powerblockmodul Anode Anode Kathode cathode Kathode cathode Anode Diode als Diode Scheibenzelle als Scheibenzelle Diode als Diode DZ-Powerblockmodul als DZ-Powerblockmodul Anode Anode Kathode cathode Kathode cathode Anode Dioden als DD-Powerblockmodul Dioden als DD-Powerblockmodul Diodes as DD-PowerBLOCK-Module Kathode1 Anode1 Anode1 Kathode1 cathode1 Anode2 cathode1 Anode2 Kathode2 cathode2 Dioden alsDioden DD-Powerblockmodul als DD-Powerblockmodul Anode1 Anode1 Kathode1 cathode1 Kathode1 cathode1 Anode2 Anode2 Kathode2 cathode2 Abb./Fig.5 Bezeichnungen der Anschlüsse Abb./Fig.5 Bezeichnungen der Anschlüsse Anode Kathode cathode Kathode cathode Thyristor als Thyristor Scheibenzelle als Scheibenzelle Thyristor als Thyristor TZ-Powerblockmodul als TZ-Powerblockmodul Steueranschluss Hilfskathode gate aux. cathode Steueranschluss Hilfskathode Kathode Kathode gate aux. cathode cathode cathode Anode Thyristor als TT-Powerblockmodul Thyristor als TT-Powerblockmodul Thyristors as TT-PowerBLOCK-Module Kathode2 Kathode1 Steueranschluss Steueranschluss Hilfskathode HilfskathodeKathode2 cathode2 Anode1 Anode1 Kathode1 cathode1 Anode2 cathode1 gate aux.gate cathodeKathode2 aux. cathodecathode2 cathode2 Anode2 Thyristor als Thyristor TT-Powerblockmodul als TT-Powerblockmodul Hilfskathode2 Steueranschluss 2 Hilfskathode1 Steueranschluss 1 aux. cathode2 gate 2 Kathode2 Hilfskathode2 aux. cathode1 Steueranschluss 2Kathode2 gate 1 Hilfskathode1 Kathode1 Kathode1 Kathode2 Steueranschluss 1 cathode2 Anode1 gate 1 Anode1 aux. cathode1 cathode1 cathode1 Anode2 aux. cathode2 gate 2 cathode2 cathode2 Anode2 Hilfskathode2 Hilfskathode2 Steueranschluss Steueranschluss 2 2 Hilfskathode1 Hilfskathode1 Steueranschluss Steueranschluss 1 1 aux. cathode2 aux. cathode2 gate 2 aux. cathode1 aux. cathode1 gate 2 gate 1 gate 1 Abb./Fig.5 Bezeichnungen Abb./Fig.5 Bezeichnungen der Anschlüsse der Anschlüsse Abbildung 5 Bezeichnung der Anschlüsse 2.2 Bauformen 2.2.1 Allgemein Das Halbleiterelement ist in ein Gehäuse eingebaut und so vor schädlichen Einflüssen der äußeren Umgebung geschützt. Alle hier beschriebenen Halbleiter sind in Druckkontakttechnologie ausgeführt. Die Druckkontakttechnologie zeichnet sich aus durch: n sehr hohe Wechsellastfähigkeit n sehr gute Überlastbarkeit 2.2.2 Scheibenzellen Bei Scheibenzellen muss die Anpresskraft bei der Montage der Bauelemente von außen aufgebracht werden. Mit doppelseitiger Kühlung wird die durch die Verluste entstehende Wärme optimal aus den Scheibenzellen abgeführt. Sie werden daher bei Anwendungen mit höchsten Leistungen eingesetzt. 2.2.3 PowerBLOCK-Modul Das PowerBLOCK-Modul ist ein Gehäusekonzept, welches bereits ausreichende Anpresskraft auf das Halbleiterelement sicherstellt. Zudem ist eine spezifizierte Isolation gegen die Bodenplatte vorhanden. Dadurch vereinfacht sich der Einsatz der Module erheblich, so kann z.B. ein kompletter Stromrichter auf einem gemeinsamen Kühlkörper aufgebaut werden. Wegen einseitiger Kühlung und der Grenzen der Isolationsspannung sind die Einsatzmöglichkeiten im höchsten Leistungsbereich begrenzt. 9 Scheibenzelle Disc case PowerBLOCK-Modul PowerBLOCK-module Schnitt durch eine Scheibenzelle Cross-sectional view of a disc Aufbau eines PowerBLOCK-Moduls Assembly of a PowerBLOCK-module Abbildung 6 Prinzipielle Bauformen von Druckkontaktbauelementen 2.2.4 Schraubsockel- und Flachbodengehäuse Bei Schraubsockel- und Flachbodengehäusen ist das Halbleiterelement bereits korrekt angepresst. Diese Gehäusebauarten sind veraltet und durch das leistungsfähigere PowerBLOCK-Modul weitgehend abgelöst worden. 10 3. Elektrische Eigenschaften Die elektrischen Eigenschaften von Dioden und Thyristoren sind temperaturabhängig und deshalb immer nur in Verbindung mit Temperaturangaben gültig. Alle in den Datenblättern genannten Werte beziehen sich, falls nicht anders angegeben, auf Netzfrequenz 40 bis 60 Hz. Höchstzulässige Werte sind vom Hersteller angegebene absolute Grenzwerte, die grundsätzlich - auch für kurze Zeit - nicht überschritten werden dürfen, da dies eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit, bzw. Zerstörung der Bauelemente zur Folge haben kann. Charakteristische Werte sind Eingrenzungen von Datenstreuungen bei definierten Nebenbedingungen und können der Wareneingangsprüfung zugrunde gelegt werden. 3.1 Vorwärtsrichtung Bei Dioden ist die Vorwärtsrichtung die Richtung zwischen den Hauptanschlüssen, in der die Diode den leitenden Zustand bereits bei niedriger Spannung von einigen Volt erreicht (siehe Abbildung 1; Richtung Anode-Kathode). Bei Thyristoren ist die Vorwärtsrichtung die Richtung zwischen den Hauptanschlüssen, in der der Thyristor zwei stabile Betriebszustände – den blockierten und den leitenden Zustand – annehmen kann (siehe Abbildung 3; Richtung AnodeKathode). Sollen Ströme und Spannungen in Vorwärtsrichtung ausdrücklich von solchen in Rückwärtsrichtung unterschieden werden, so geschieht dies durch den Zusatz ,,vorwärts” oder ,,positiv”. Die Kennlinie in Vorwärtsrichtung setzt sich beim Thyristor aus einem Abschnitt für den blockierten Zustand und einem Abschnitt für den leitenden Zustand zusammen. (siehe Abbildung 4). Die Vorwärts-Blockierkennlinie ist der Abschnitt der Kennlinie in Vorwärtsrichtung eines Thyristors, der die Zuordnung der Augenblickswerte von Vorwärts-Sperrstrom und Vorwärts-Sperrspannung wiedergibt. 11 1 Technischer Erläuterungen - Bilder 0,9 vD Technischer Erläuterungen - Bilder ID,R (VDRM,RRM; Tvj) / ID,R (VDRM,RRM; Tvjmax) = 0,96 (Tvj max - Tvj) 0,8 ID,R (VDRM,RRM;Tvj) / ID,R (VDRM,RRM; Tvj max) ID,R (VDRM,RRM;Tvj) / ID,R (VDRM,RRM; Tvj max) Technischer Erläuterungen - Bilder 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 VDSM VDRM 1 0,9 VDWM ID,R (VDRM,RRM; Tvj) / ID,R (VDRM,RRM; Tvjmax) = 0,96 (Tvj max - Tvj) 0,8 0,7 0,6 0,5 t 0,4 0,3 0,2 VRWM 0,1 VRRM 0 0,5 0 0,5 0,55 0,55 0,6 0,6 0,65 0,65 0,7 0,75 Tvj / Tvj max 0,7 0,8 0,75 Tvj / Tvj max 0,85 0,9 0,8 0,95 0,85 0,9 Abbildung 7 Typische Abhängigkeit des auf ID,R(VDRM,RRM; Tvj max) normierten Sperrstrom Abb./Fig.7 Typische T - Abhängigkeit des auf I , (V ;T ) normierten Sperrstroms iD,R(VDRM,RRM) von der auf Tvj max normierten Sperrschichttemperatur Tvj DR DRM, RRM 0,95 1 vR Abb./Fig.8 Definition der Sperrspannungsbelastungen Abb./Fig.7 Typische Tvj - Abhängigkeit des auf ID,R(VDRM, RRM ;Tvj max) normierten Sperrstroms vj VRSM 1 Abbildung 8 Definition der Sperrspannungs belastungen vj max 3.1.1 Vorwärts-Sperrstrom iD iD ist der Strom, der in Vorwärtsrichtung im blockierten Zustand des Thyristors über die Hauptanschlüsse fließt. Er wird im Datenblatt für die Spannung VDRM und maximale Sperrschichttemperatur Tvj max spezifiziert. Dieser Strom ist von der Sperrschichttemperatur Tvj abhängig (siehe Abbildung 7). 3.1.2 Vorwärts-Sperrspannung vD vD ist die im gesperrten Zustand des Thyristors an den Hauptanschlüssen in Vorwärtsrichtung anliegende Spannung (siehe Abbildung 8). 3.1.2.1 Periodische Vorwärts-Spitzensperrspannung VDRM VDRM ist der höchstzulässige Wert von periodischen Spannungen im Vorwärts-Sperrzustand einschließlich aller periodischen Spitzenspannungen. Bei DC Anwendungen ist eine Reduktion auf VD (DC) erforderlich. Siehe dazu Punkt 3.1.2.3. Im Hinblick auf betriebsmäßige Überspannungen werden Thyristoren üblicherweise an Anschlussspannungen betrieben, deren Scheitelwert sich durch Division der höchstzulässigen periodischen Spitzensperrspannung mit dem Sicherheitsfaktor 1,5 bis 2,5 ergibt: ˆ V Anschluß = V V DWM,RWM bzw. DRM V RRM 1,5...2,5 Ein geringer Sicherheitsfaktor wird dort angewendet, wo die Überspannungen im Wesentlichen bekannt sind. Das sind in der Regel selbstgeführte Stromrichter mit großen Energiespeichern. Für Stromrichter an Netzen mit unbekanntem Überspannungspegel wird ein Spannungssicherheitsfaktor von 2,0 bis 2,5 bevorzugt. 12 Sind im Betrieb Überspannungen zu erwarten, die die höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung überschreiten, ist ein geeigneter Überspannungsschutz vorzusehen (siehe 7.1). 3.1.2.2 Vorwärts-Stoßspitzensperrspannung VDSM VDSM ist der höchstzulässige nichtperiodische Spitzenwert einer kurzzeitigen Spannung in Vorwärtsrichtung des Thyristors, der nicht überschritten werden darf. 3.1.2.3 Vorwärts-Gleichspannung VD (DC) VD (DC) ist die im Vorwärts-Sperrzustand dauernd zulässige Gleichspannung. Für die hier beschriebenen Halbleiter liegt der Wert für eine Ausfallwahrscheinlichkeit von etwa 100 fit (failure in time; 1fit = 1*10-9 Ausfälle/Stunde, d.h. ein Fehler in 109 Betriebsstunden des Bauelements) bei etwa halber periodischer Spitzensperrspannung. Zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeiten für variierende Gleichspannungen sind auf Anfrage erhältlich. 3.1.3 Kippspannung V(BO) V(BO) ist der Wert der Vorwärts-Sperrspannung, bei dem der Thyristor bei gegebenem Steuerstrom vom gesperrten in den leitenden Zustand übergeht. Ausnahme: Für lichtzündbare Thyristoren (LTT’s) mit integrierter Break Over Diode (BOD) ist V(BO) die minimale Spannung, bei der die Schutzzündung des Thyristors erfolgt. 3.1.4 Nullkippspannung V(BO)0 V(BO)0 ist die Kippspannung für Steuerstrom Null. Bei Zündung eines Thyristors durch Überschreiten der Nullkippspannung V(BO)0 besteht Zerstörungsgefahr. Ausnahme: Lichtzündbare Thyristoren sind durch eine integrierte Break Over Diode (BOD) geschützt. 3.1.5 Haltestrom IH IH ist der kleinste Wert des Durchlassstromes, bei dem der Thyristor noch im leitenden Zustand bleibt. IH sinkt bei steigender Sperrschichttemperatur (siehe Abbildung 9). Ausnahme: Lichtzündbare Thyristoren weisen einen erheblich niedrigeren Haltestrom auf, als vergleichbare elektrisch zündbare Thyristoren. 3.1.6 Einraststrom IL IL muss als Durchlassstrom fließen, damit der Thyristor eingeschaltet bleibt, wenn der Steuerstrom abgeklungen ist. Er ist abhängig von der Steilheit, Höhe und Dauer des Steuerstroms sowie von der Sperrschichttemperatur (siehe Abbildung 9). Ausnahme: Lichtzündbare Thyristoren weisen einen erheblich niedrigeren Einraststrom auf, als vergleichbare elektrisch zündbare Thyristoren. 3.1.7 Durchlassstrom iT, ITAV, ITRMS iF, IFA , IFRMS Der Durchlassstrom ist der Strom, der im Durchlasszustand des Thyristors (iT, ITAV, ITRMS) oder der Diode (iF, IFAV, IFRMS) über beide Hauptanschlüsse fließt. Man unterscheidet: iT, iF = Augenblickswert ITAV, IFAV = arithmetischer Mittelwert ITRMS, IFRMS = Effektivwert (RMS → quadratischer Mittelwert) 13 Technischer Erläuterungen - Bilder 2 IH(Tvj) / IH(25°C), I L(Tvj) / IL(25°C) 1,8 IH 1,6 1,4 1,2 IL 1 IL 0,8 0,6 IH 0,4 0,2 0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 Tvj [°C] Abbildung 9 T ypische Abhängigkeit des auf Tvj=25°C normierten Einraststromes IL und Haltestromes lH von der Sperrschichttemperatur Tvj Abb./Fig.9 Typische Tvj - Abhängigkeit des auf 25°C normierten Einraststroms I und Haltestroms I L H 3.1.8 Durchlassspannung vT, vF vT, vF ist die Spannung zwischen den Hauptanschlüssen bei definiertem Durchlassstrom. Sie ist abhängig von der Sperrschichttemperatur. Die im Datenblatt angegebenen Werte gelten für den vollständig durchgeschalteten Thyristor (vT) bzw. für die Diode (vF). 3.1.9 Durchlasskennlinie Die Durchlasskennlinie ist die Zuordnung der Augenblickswerte von Durchlassstrom und Durchlassspannung für die Diode oder den vollständig durchgeschalteten Thyristor bei definierter Sperrschichttemperatur. 3.1.10 Ersatzgerade mit VT(TO), VF(TO) und rT Die Ersatzgerade ist die Annäherung an die Durchlasskennlinie eines Thyristors (VT(TO), rT) oder einer Diode (VF(TO), rT) zur Berechnung der Durchlassverlustleistung. Dabei bedeuten: VT(TO), VF(TO) = Schleusenspannung rT = differentieller Widerstand oder Ersatzwiderstand Der Wert zu VT(TO), VF(TO) ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Ersatzgeraden mit der Spannungsachse, der von rT errechnet sich aus der Steigung der Ersatzgeraden. Abhängig von der Kühlung kann es notwendig sein, die im Datenblatt angegebenen Ersatzgeraden der Applikation anzupassen. In einigen Datenblättern wird daher eine zusätzliche Low-LevelAngabe für VT(TO), VF(TO) und rT gemacht. Für hochsperrende Bauelemente (T…1N, T…3N, D…1N) werden Ersatzgeraden zusätzlich als Annäherung an eine typische Durchlasskennlinie, die in etwa den 50% Wert der Häufigkeitsverteilung beschreibt, angegeben. Für Applikationen, in denen viele gleiche Bauelemente eingesetzt werden, können so mit der typischen Ersatzgerade die Durchlassverluste der Anlage berechnet werden. 14 4000 3500 3500 3000 3000 2500 2500 iT [A] iT [A] 4000 2000 ΔiT 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 ΔvT ΔiT rT = Δ vT 0 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 vT [V] 0,5 vT0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 vT [V] Abbildung 10 Beispiel einer Durchlasskennlinie und der dazugehörigen Ersatzgerade 3.1.11 Dauergrenzstrom ITAVM, IFAVM ITAVM, IFAVM ist der arithmetische Mittelwert des höchsten dauernd zulässigen Durchlassstromes bei Einwegschaltung nach DIN VDE 0558 Teil 1 mit ohmscher Belastung, bezogen auf eine definierte Gehäusetemperatur TC und Frequenz 40 bis 60 Hz. In den technischen Daten der niedrig sperrenden Thyristoren bzw. Dioden ist ein Diagramm enthalten, das den Zusammenhang zwischen Dauergrenzstrom und höchstzulässiger Gehäusetemperatur TC, für verschiedene Stromflusswinkel darstellt. In diesem Diagramm sind nur die Durchlassverluste berücksichtigt. Bei hochsperrenden Bauelementen >2200V müssen zusätzlich Ausschaltverluste und mit Einschränkungen Sperr- und Einschaltverluste berücksichtigt werden. Bei den Bauelementen mit sehr hohem Sperrvermögen (ca. >4kV) wird daher auf dieses Diagramm im Datenblatt verzichtet. 3.1.12 Grenzeffektivstrom ITRMSM, IFRMSM ITRMSM, IFRMSM ist der höchste quadratische Mittelwert des Durchlassstromes, der unter Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Beanspruchung aller Einzelteile des Bauelementes zulässig ist. Er darf bei Flachboden-, Schraubsockelgehäusen und Modulen auch bei bester Kühlung des Thyristors (ITRMSM) oder der Diode (IFRMSM)nicht überschritten werden. 3.1.13 Überstrom IT(OV), IF(OV) IT(OV), IF(OV) ist der höchstzulässige Wert des Durchlassstromes, mit dem der Thyristor (IT(OV)) oder die Diode (IF(OV)) bei Kurzzeitbetrieb belastet werden darf, ohne dass die Steuerfähigkeit verloren geht. Im Diagramm für Überstrom bei Kurzzeitbetrieb wird der Wert als Scheitelwert sinusförmiger Halbschwingungen von 50 Hz für verschiedene Vorbelastungen in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben. Diese Darstellung berücksichtigt keine erhöhten Sperr- und Ausschaltverluste, wie sie bei höher sperrenden Bauelementen auftreten. Bei den Bauelementen mit sehr hohem Sperrvermögen (ca. >4kV) wird daher auf dieses Diagramm im Datenblatt verzichtet. 3.1.14 Grenzstrom IT(OV)M, IF(OV)M IT(OV)M, IF(OV)M ist der Wert des Durchlassstromes, bei dem Abschaltung erfolgen muss, damit der Thyristor (IT(OV)M) oder die Diode (IF(OV)M) nicht zerstört wird. Die Angaben dienen zur Auslegung der Schutzeinrichtung. Bei Belastung mit Grenzstrom kann ein Thyristor vorübergehend seine Sperrfähigkeit in Vorwärtsrichtung verlieren und vorübergehend nicht mehr steuerfähig sein. In der Grenzstromkennlinie wird der Grenzstrom als Scheitelwert sinusförmiger Halbschwingungen von 50 Hz in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben. Es werden zwei Fälle unterschieden: vorausgehender Leerlauf und vorausgehender Betrieb mit Dauergrenzstrom. 15 Die Grenzstromkennlinien in den Einzeldatenblättern gelten für eine RückwärtsSperrspannung in Höhe von 80% der periodischen Rückwärts-Spitzensperrspannung. In Fällen, wo die tatsächliche Rückwärtssperrspannung niedriger ist, ist ein höherer Grenzstrom zulässig, der Abbildung 11 und Abbildung 12 für einen vorausgegangenen Dauergrenzstrom ITAVM entnommen werden kann. Die Verhältnisse bei vorher unbelastetem Bauteil sind daraus nicht abzuleiten. Diese Darstellung berücksichtigt keine erhöhten Sperr- und Ausschaltverluste, wie sie bei höher sperrenden Bauelementen auftreten. Bei den Bauelementen mit sehr hohem Sperrvermögen (ca. >4kV) wird daher auf dieses Diagramm im Datenblatt verzichtet. Die Technischer Erläuterungen - Bilder Schutzkonzepte für diese Bauelemente werden im Kapitel 7.2 behandelt. 1 0,9 0,8 IT(OV)M / ITSM 0,7 0,6 VRM = 0,5 0-50 V 0,4 0,33 VRRM 0,3 0,67 VRRM 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 t [ms] Abbildung 11 T ypische Abhängigkeit des Grenzstromes IT(OV)M, IF(OV)M (im Verhältnis zum Stoßstrom ITSM bzw. IFSM für 10 ms und Tvj max) von der Anzahl für eine Folge von Sinushalbschwingungen bei 50Hz. Parameter: Rückwärtssperrspannung von VRMt für mehrere 50Hz Halbwellen Paramter: V Abb./Fig.10 Typische Abhängigkeit des auf I normierten Grenzstroms I TSM T(OV)M RM Abbildung 12 T ypische Abhängigkeit des Grenzstromes IT(OV)M, IF(OV)M (im Verhältnis zum Stoßstrom ITSM bzw. IFSM für 10 ms und Tvj max) von der Zeit t für eine Folge von Sinushalbschwingungen bei 50Hz. Parameter: Rückwärtssperrspannung VRM 16 3.1.15 Stoßstrom-Grenzwert ITSM, IFSM ITSM, IFSM ist der höchstzulässige Scheitelwert eines einzelnen Stromimpulses in Form einer Sinushalbschwingung bei 50 Hz. Er wird für 25°C (entspricht Kurzschluss aus Leerlauf) oder beim Einschalten aus maximal zulässiger Sperrschichttemperatur (entspricht Kurzschluss nach Dauerbelastung mit höchstzulässigem Strom) angegeben. Bei Beanspruchung mit dem Stoßstromgrenzwert können Halbleiter ihre Sperrfähigkeit verlieren. Deshalb darf anschließend keine negative Spannung am Bauelement anliegen. Sie kann im Störungsfall, nichtperiodisch wiederholt werden, wenn die Sperrschichttemperatur auf Werte innerhalb des zulässigen Betriebstemperaturbereichs abgeklungen ist. Beim Überschreiten des höchstzulässigen Wertes besteht Zerstörungsgefahr – näheres siehe Kapitel 7.2 Überstromschutz. 3.1.16 Grenzlastintegral ∫i²dt ∫i²dt ist das Zeitintegral über dem Quadrat des Stoßstromgrenzwertes. Das Grenzlastintegral dient zur Bemessung des Kurzschlussschutzes (siehe 7.2). Für Sinushalbschwingungen mit Zeiten kleiner 10 ms kann das Grenzlastintegral der Abbildung 13 entnommen werden. Zur Spannungsbeanspruchung und Wiederholung gilt gleiches wie zum Stoßstrom-Grenzwert. Beim Überschreiten des höchstzulässigen Wertes muss mit einer Zerstörung des Bauelements gerechnet werden. Zudem ist insbesondere bei großflächigen Thyristoren darauf zu achten, dass die zulässige kritische Einschaltstromsteilheit (di/dt)cr nicht überschritten wird. 3.2 Rückwärtsrichtung Die Rückwärtsrichtung ist die Richtung zwischen den Hauptanschlüssen, in der Technischer Erläuterungen - Bilder 1 0,9 ∫i² dt ( tP ) / ∫i² dt (10ms) 0,8 a Thyristoren / Thyristors a: PB20, PB34, PB50 TO42, TO48, TSW, TFL b: PB60 TO58 c: PB70 ≥TO75 0,7 0,6 b 0,5 Dioden / Diodes 0,4 b: VDRM,RRM ≥ 1000V c: VDRM,RRM < 1000V High Power T…1N, T...3N, D…1N c: für alle Typen, for all types c 0,3 High Power D…1N, T…1N c: für alle Typen, for all types 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tP [ms] Abb./Fig.12 Typische Abhängigkeit des auf i² dt (10ms) normierten Grenzlastintegrals i² dt von der Halbschwingungsdauer t P Abbildung 13 Typische Abhängigkeit des auf ∫i² dt (10ms) normierten Grenzlastintegrals ∫i² dt von der Halbschwingungsdauer tP 17 Thyristoren und Dioden einen stabilen hochohmigen Betriebszustand aufweisen (Richtung Kathode-Anode). Sollen Werte (Spannungen und Ströme) und Angaben in Rückwärtsrichtung von solchen in Vorwärtsrichtung unterschieden werden, so geschieht dies durch den Zusatz ,,rückwärts” oder ,,negativ”. Die Rückwärts-Sperrkennlinie eines Thyristors oder einer Diode gibt die Zuordnung der Augenblickswerte von Sperrstrom und Sperrspannung wieder. 3.2.1 Rückwärts-Sperrstrom iR iR ist der in Rückwärtsrichtung über die Hauptanschlüsse des Thyristors oder der Diode fließende Strom. Der Rückwärts-Sperrstrom hängt von der Höhe der Sperrspannung und der Sperrschichttemperatur Tvj ab (Abbildung 7). 3.2.2 Rückwärts-Sperrspannung vR vR ist die in Rückwärtsrichtung an den Hauptanschlüssen des Thyristors oder der Diode liegende Spannung. 3.2.2.1 Periodische Rückwärts-Spitzensperrspannung VRRM VRRM ist der höchstzulässige Augenblickswert von periodischen Spannungen im Rückwärts-Sperrzustand einschließlich aller periodischen Spitzenspannungen. Bei DC Anwendungen ist eine Reduktion auf VR (DC) erforderlich. Siehe dazu Punkt 3.2.2.3. Bzgl. Anschlussspannung siehe Punkt 3.1.2.1. 3.2.2.2 Rückwärts-Stoßspitzensperrspannung VRSM VRSM ist der höchstzulässige nichtperiodische Spitzenwert einer kurzzeitigen Spannung in Rückwärtsrichtung, der auch bei kürzester Dauer nicht überschritten werden darf. Der Wert beträgt hier: für Sperrkonzepte < 800V: VRSM = VRRM + 50V (bei Tvj = 25°C ... Tvj max) für Sperrkonzepte ≥ 800V: VRSM = VRRM + 100V (bei Tvj = 25°C ... Tvj max) 3.2.2.3 Rückwärts-Gleichsperrspannung VR (DC) VR (DC) ist die im Rückwärts-Sperrzustand dauernd zulässige Gleichspannung, analog zu Vorwärts – Gleichsperrspannung 3.1.2.3. 3.3 Steuereigenschaften von Thyristoren 3.3.1 Positive Ansteuerung 18 3.3.1.1 Steuerstrom iG iG ist der über die Steuerstrecke (Anschlüsse G – HK) fließende Strom. Thyristoren dürfen nur zum Einschalten während der positiven Sperrphase mit Zündimpulsen angesteuert werden. Positive Steuersignale während der negativen Sperrphase führen wegen eines dadurch ausgelösten Transistoreffekts zu deutlich erhöhten Sperrverlusten, die die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und zur Zerstörung führen können. Ausnahme: Bei lichtgezündeten Thyristoren ist die Ansteuerung während der negativen Sperrphase zulässig. 3.3.1.2 Steuerspannung VG VG ist die positive Spannung zwischen dem Steueranschluss (G) und der Kathode (K) oder Hilfskathode (HK). 3.3.1.3 Zündstrom IGT IGT ist der Mindestwert des Steuerstromes zum Zünden eines Thyristors. Er hängt von der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen und der Sperrschichttemperatur ab. Beim angegebenen Wert des Zündstroms zünden alle Thyristoren eines Typs. Der Zündstrom steigt mit sinkender Sperrschichttemperatur und wird daher bei 25°C spezifiziert. Der Steuergenerator muss den im Datenblatt spezifizierten Wert IGTmax sicher überschreiten (siehe auch 3.3.1.8). Ausnahme: Für lichtzündbare Thyristoren wird die minimale Lichtleistung PL, die zum Zünden aller Thyristoren eines Typs führt, angegeben. 3.3.1.4 Zündspannung VGT VGT ist die Spannung, die beim Zündstrom IGT zwischen Steuer- und Kathodenanschluss auftritt. Sie hängt von der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen und der Sperrschichttemperatur ab. Beim angegebenen Wert der oberen Zündspannung zünden alle Thyristoren eines Typs. Die Zündspannung sinkt mit ansteigender Sperrschichttemperatur und wird daher bei 25°C spezifiziert. VGT wird gemessen während ein spezifizierter Laststrom fließt. 3.3.1.5 Nicht zündender Steuerstrom IGD IGD ist der Wert des Steuerstroms, bei dem der Thyristor noch nicht zündet. Er hängt von der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen und der Sperrschichttemperatur ab. Beim angegebenen Höchstwert zündet kein Thyristor des jeweiligen Typs. Der nicht zündende Steuerstrom sinkt mit ansteigender Sperrschichttemperatur und wird daher bei Tvj max spezifiziert. 3.3.1.6 Nicht zündende Steuerspannung VGD VGD ist der Wert der Steuerspannung, bei dem der Thyristor noch nicht zündet. Er hängt von der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen und der Sperrschichttemperatur ab. Beim angegebenen Höchstwert zündet kein Thyristor des jeweiligen Typs. Die nicht zündende Steuerspannung sinkt mit ansteigender Sperrschichttemperatur und wird daher bei Tvj max spezifiziert. 3.3.1.7 Steuercharakteristik Sie zeigt die Streubereichsgrenzen der Eingangskennlinien eines Thyristortyps. Im Streubereich der Eingangskennlinien sind die temperaturabhängigen Zündbereiche, 19 Technischer Erläuterungen - Bilder 100 10 c vG [V] b 1 0,1 10 100 Tvj = -40 °C Tvj = +25°C Tvj = +125°C a iG [mA] 1000 10000 Abbildung 14 Beispiel einer Steuercharakteristik vG = f (iG) mit Zündbereichen für VD = 12 V und die Kurven der maximal zulässigen Steuerverlustleistung PGM eingetragen (a – 20W / Abb./Fig.13 Steuercharakteristik vG = / f (i1ms, VD = 12 V 10ms, b – 40W c – 60W /für 0,5ms). G) mit Zündbereichen 3.3.1.8 Steuergenerator Im normalen Anwendungsfall sollte sich die Bemessung des Steuergenerators an Steuerdaten orientieren, die zur kritischen Stromsteilheit, zum Zündverzug und zum Einraststrom angegeben sind (siehe Abbildung 15). Die in 3.3.1.3 und 3.3.1.4 angegebenen Mindestansteuerwerte gelten nur für Anwendungen mit geringen Anforderungen an die kritische Stromsteilheit und den Zündverzug. In der Praxis stellt die 4- bis 5-fache Übersteuerung des im Datenblatt spezifizierten IGT einen sicheren Betrieb, auch bei hohen Anforderungen an Stromsteilheit und Zündverzug sicher. Dabei verwendete Begriffe bedeuten: diG/dt = Steilheit des Steuerstroms iGM = Höhe des Steuerstroms tG = Dauer des Steuerimpulses VL = Leerlaufspannung des Steuergenerators Mit zunehmenden Werten der Anstiegssteilheit des Durchlassstromes diT/dt sowie des periodischen Einschaltstromes IT(RC)M aus der Beschaltung macht sich eine Rückwirkung des Hauptstromkreises auf den Steuerstrom iG bemerkbar (siehe 3.4.1.2 und Abbildung 21). Beim Einschalten des Thyristors wird zunächst nur eine kleine Fläche um den Gatebereich leitend, was zu hoher Durchlassstromdichte und überhöhter Spannung führt. Aufgrund der inneren Kopplung tritt diese Spannung auch an den Steueranschlüssen 20 Technischer Erläuterungen - Bilder A RG 2 CG iG + vC = – vG RG 1 Steuerelektronik control circuit G HK RGK K Abb./Fig.14 eines Steuergenerators für Thyristoren Abbildung 15Prinzipschaltbild Prinzipschaltung eines Steuergenerators für Thyristoren auf, weshalb es zum vorübergehenden Absinken des Zündstroms kommt. Um eine mögliche Beschädigung des Thyristors zu vermeiden, sollte iG den Wert des oberen Zündstroms IGT nicht unterschreiten. Gegebenenfalls lässt sich ein zu tiefes Absinken des Zündimpulses durch eine höhere Leerlaufspannung des Steuergenerators Vc verhindern. Bei Parallel- und Reihenschaltung von Thyristoren sind hohe, steile und synchrone Steuerimpulse erforderlich, um gleichmäßiges Einschalten zu erreichen. Siehe auch Streuung der Zündverzugswerte (3.4.1.2.1). Ausnahme: Zur Ansteuerung von lichtzündbaren Thyristoren sind Laserdioden, die Licht mit Wellenlängen im Bereich 900 bis 1000nm ausstrahlen, notwendig. Es sind Mindestwerte der Lichtleistung PL angegeben, die in Verbindung mit der angegebenen Einschaltspannung zum sicheren Zünden der Thyristoren führen. Die Lichtleistung wird am Ausgang des Lichtwellenleiters spezifiziert. Im Hinblick auf gleichmäßiges Einschalten wird auch hier die Übersteuerung, vor allem bei Parallelschaltungen und Reihenschaltungen bei hoher di/dt Beanspruchung empfohlen. Infineon empfiehlt den Einsatz von, in entsprechenden Stecker justierten, Laserdioden SPL PL90 (siehe Abbildung 16) und bietet diese zusammen mit geeigneten Lichtwellenleitern als Zubehör an. Die Laserdioden SPL PL 90 entsprechen folgenden Laserklassen: Ist die Laserdiode richtig an den Lichtwellenleiter angeschlossen entspricht das Ansteuersystem Laserklasse 1. Eine Gefährdung ist ausgeschlossen. Abbildung 16 LTT mit Lichtwellenleiter 21 Wird die Laserdiode offen betrieben, oder ist der Lichtwellenleiter gebrochen, entspricht sie Laser Klasse 3b nach IEC 60825 – 1. Für diesen Fall besteht Gefährdung durch unsichtbare Strahlung. Eine direkte oder indirekte Bestrahlung der Augen oder der Haut muss vermieden werden. Zur Ansteuerung der lichtgezündeten Thyristoren empfehlen wir einen Strompuls für die Laserdiode SPL PL90 wie in Abbildung 18. Da die Laserdiode SPL PL90 nicht für Daueransteuerung geeignet ist empfehlen wir Technischer Erläuterungen - Bilder 250 200 PL [mW] 150 100 50 0 500 600 700 800 900 1000 ILaserdiode [mA] 1100 1200 1300 1400 Abbildung 17 Laserdiode SPL PL 90 typ. Abhängigkeit der Lichtleistung vom Steuerstrom Abb./Fig.16 Laserdiode SPL PL 90 typ. Abhängigkeit der Lichtleistung vom Steuerstrom die Ansteuerung der Laserdiode mit einer Frequenz von ca 6kHz unter Verwendung des Pulses in Abbildung 18. 3.3.1.9 Mindestdauer des Steuerimpulses tgmin 22 Abbildung 18 Empfohlener Strompuls für Laserdiode SPL PL 90 Der Steuerimpuls muss mindestens solange anliegen bis der Einraststrom des Thyristors (3.1.6) überschritten ist, weil der Thyristor sonst wieder in den Blockierzustand zurück fällt. Der Zündstrom des Thyristors darf auch am Ende des Zündimpulses nicht unterschritten werden. In Applikationen mit niedrigem Stromanstieg oder geringen Lastströmen wird deshalb oftmals eine Ansteuerung mit Mehrfachimpulsen (z.B. mit einer Wiederholfrequenz von 6kHz) vorgesehen. Bei lichtzündbaren Thyristoren ist darauf zu achten, dass sich bei einer Ansteuerung mit Mehrfachimpulsen die Laserdiode nicht unzulässig stark erwärmt. Die Lichtleistung einer stromgeregelten Laserdiode sinkt mit steigender Temperatur. 3.3.1.10 Höchstzulässige Spitzensteuerleistung Bei Anwendungen mit hoher Stromsteilheit kann iGT noch stärker als in 3.3.1.8 beschrieben übersteuert werden. Dazu sollte der Steuerstrom für tGM ≈ 10-20µs auf den 8-10 fachen Wert von IGT erhöht werden und danach für eine ausreichende Zeit tG mit reduzierter Amplitude weiter fließen. Die Leerlaufspannung des Steuerkreises sollte dabei mindestens 30V betragen um den hohen Steuerstrom rückwirkungsfrei sicherzustellen. 3.4 Trägheits- und Schaltverhalten 23 Technischer Erläuterungen - Bilder iG IGM ≈ 8-10 IGT ≤ IGM 0.5-1µs IG ≈ 2-4 IGT tGM t 100µs < tG< tP Abbildung 19 Sichere Übersteuerung des Zündstroms Infolge des Trägheitsverhaltens der Ladungsträger stellen sich bei Änderung des Betriebszustandes von Leistungshalbleitern stationäre Werte von Strom und Spannung nicht unmittelbar ein. Bei Thyristoren werden zusätzlich mittels Ansteuerung nur kleine Abb./Fig.17 Zeitlicher Verlauf des empfohlenen Gateimpulses Flächen um die Gatestruktur leitend. Die daraus resultierenden Schaltverluste müssen in Form von Wärme aus dem Halbleiter abgeführt werden. 3.4.1 Einschalten 3.4.1.1 Diode Beim Übergang vom stromlosen oder gesperrten in den leitenden Zustand werden an der Diode durch das Trägheitsverhalten der Ladungsträger Spannungsspitzen erzeugt. (siehe Abbildung 20). 3.4.1.1.1 Spitzenwert der Durchlassverzögerungsspannung VFRM Technischer Erläuterungen - Bilder VFRM VF, iF 90% IFM 50% diF/dt vF 0,1 vF tfr Abb./Fig.18 Schematische Darstellung des Einschaltvorgangs voneines Dioden Einschaltvorgangs von Dioden Abbildung 20 Schematische Darstellung 24 t VFRM ist der Höchstwert der Spannung, die während der Durchlassverzögerungszeit auftritt (siehe Abbildung 20). Sie nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur und Stromsteilheit zu. Für den Netzbetrieb (50 / 60 Hz) mit seinen moderaten Stromsteilheiten ist VFRM vernachlässigbar. In selbstgeführten Stromrichtern mit schnellen Schaltern (IGBT’s, GCT’s und IGCT’s mit di/dt>>1000A/us) kann sie aber Werte bis zu einigen 100V erreichen. Obwohl die Durchlassverzögerungsspannung nur einige Mikrosekunden ansteht und deshalb keinen nennenswerten Beitrag zur Verlustbilanz der Dioden liefert, muss ihre Rückwirkung auf die schaltenden Halbleiter bei der Dimensionierung von Stromrichtern berücksichtigt werden. In den Daten der für diese Anwendungen optimierten Dioden sind deshalb auch Diagramme enthalten, die die Höhe der Durchlassverzögerungsspannung als Funktion der Stromsteilheit angeben. 3.4.1.1.2 Durchlassverzögerungszeit tfr tfr ist gemäß DIN IEC 60747-2 die Zeit bis die Diode vollständig leitend ist und sich die statische Durchlassspannung vF einstellt, wenn von Null sprungförmig auf einen definierten Durchlasszustand umgeschaltet wird (siehe Abbildung 20). 3.4.1.2 Thyristor Der Einschaltvorgang wird bei Vorwärts-Sperrspannung vD durch einen Steuerstrom mit der Steilheit diG/dt und Höhe iGM, eingeleitet, bei lichtzündbaren Thyristoren durch einen ebenso spezifizierten Steuerimpuls auf die Laserdiode. Während der Zündverzugszeit tgd sinkt die Blockierspannung am Thyristor auf 90% ab (siehe Abbildung 21). Da zunächst nur eine kleine Fläche um die Gatestruktur leitend wird, ist die Anfangsstromdichte und damit die kritische Stromsteilheit (di/dt)cr ein Maß für die Belastbarkeit des Thyristors beim Einschalten. 3.4.1.2.1 Zündverzugszeit tgd Technischer Erläuterungen - Bilder Hauptstromkreis iT vT main circuit diT /dt 100% 90% 50% 10% vCC C R i T, vT A K G iG Steuergenerator gate trigger generator vT 10% 90% L ITM 50% iG iT t tgd diG /dt a b IGM Steuerstromkreis gate circuit t Abbildung 21 Schematische Darstellung des Einschaltvorgangs von Thyristoren Abb./Fig.19 Schematische Darstellung des Einschaltvorgangs von Thyristoren a - Steuerstrom bei abgeschaltetem Hauptstromkreis b - Steuerstrom bei steil ansteigendem Durchlassstrom (siehe auch 3.3.1.8) 25 tgd [µs] 1000 100 10 a b 1 0,1 10 100 iGM=iGT iGM=4-5* iGT 1000 i GM [mA] 10000 Abbildung 22 Typische Abhängigkeit der Zündverzugszeit tgd und dem maximalen Steuerstrom iGM a) maximal Wert b) typischer Wert tgd ist die Differenz zwischen dem Zeitpunkt, ab dem der Steuerstrom 10%-Wert seines Maximalwerts IGM erreicht und dem Zeitpunkt, ab dem die Anoden-Kathoden-Spannung 90% von der angelegten Vorwärts-Sperrspannung vD unterschreitet. (siehe Abbildung 21) Sie sinkt mit zunehmendem Steuerstrom (bei LTT Lichtleistung) deutlich (siehe Abbildung 22). Bei Hochleistungsthyristoren hängt das tgd zusätzlich von vD ab. Der im Datenblatt angegebene Wert ist nach DIN IEC 60747 – 6 definiert, er gilt für Tvj = 25°C und definierten Steuerimpuls. 3.4.1.2.2 Kritische Stromsteilheit (di/dt)cr Nach dem Spannungszusammenbruch durch Zünden des Thyristors beginnt eine kleine Fläche der Kathode um die Gatestruktur den Durchlassstrom zu führen. Diese stromführende Fläche breitet sich, abhängig von der Stromdichte anschließend mit einer Geschwindigkeit von typ. 0,1mm/µs aus. Die Stromtragfähigkeit des Systems ist daher anfangs begrenzt. Eine Gefährdung oder Zerstörung des Thyristors ist ausgeschlossen, wenn der Wert der im Datenblatt ausgewiesenen kritischen Stromsteilheit nicht überschritten wird. Bei S-Thyristoren und großflächigen Thyristoren ist das Gate verzweigt (Fingerstruktur). Dadurch weisen diese Typen ein höheres (di/dt)cr auf. Die kritische Stromsteilheit (di/dt)cr bezieht sich gemäß DIN IEC 60747 – 6 auf die Beanspruchung mit Durchlassstrom im Verlauf einer gedämpften Sinus-Halbschwingung. Sie ist als Steigung einer Geraden durch die Punkte 10% und 50% des ansteigenden Durchlassstroms definiert (siehe Abbildung 21, Abbildung 47) und gilt für folgende weitere Nebenbedingungen: Sperrschichttemperatur Tvj = Tvj max Vorwärts-Sperrspannung vD = 0,67 VDRM, Spitzenwert des Stromes iTM = 2 ITAVM Wiederholfrequenz f0 = 50 Hz 26 Der Steuerimpuls ist in den Einzel-Datenblättern definiert (vgl. 3.3.1.8). Ausnahme: Lichtgezündete Thyristoren werden mit einer Vorwärts-Sperrspannung von vD = VDRM getestet. 3.4.1.2.3 Periodischer Einschaltstrom IT(RC)M IT(RC)M ist der höchstzulässige Spitzenwert des Durchlassstromes unmittelbar nach dem Einschalten mit undefinierter Stromsteilheit. In der Regel wird dieser Einschaltstrom durch die Entladung der RC-Beschaltung verursacht. Der höchstzulässige periodische Einschaltstrom gilt auch für nachfolgenden steilen Stromanstieg bis zur kritischen Stromsteilheit (di/dt)cr. Für Bauelemente von Infineon gelten folgende Werte IT(RC)M = 100A Ausnahme: Bauelemente mit der Typenbezeichnung T…1N oder T…3N IT(RC)M = 150 A Für Anwendungen über 60 Hz müssen die Werte, sowohl der kritischen Stromsteilheit (di/dt)cr als auch des periodischen Einschaltstroms IT(RC)M, reduziert werden. Nähere Angaben zu konkreten Nebenbedingungen auf Anfrage. 3.4.1.2.4 Kritische Spannungssteilheit (dv/dt)cr (dv/dt)cr ist der Höchstwert für die Anstiegssteilheit einer angelegten Spannung in Vorwärtsrichtung, die annähernd linear von 0% auf 67% VDRM verläuft und bei der ein Thyristor noch nicht in den leitenden Zustand schaltet. Für einen exponentiellen Spannungsanstieg ist sie eine Gerade die die Exponentialfunktion von 0% ausgehend bei 63% des Maximalwertes schneidet. Sie gilt für den offenen Steuerkreis und höchstzulässige Sperrschichttemperatur. Bei Überschreiten von (dv/dt)cr besteht Zerstörungsgefahr. Ausnahme: In lichtzündbaren Thyristoren ist neben dem Überspannungsschutz (BOD) auch ein dv/dt Schutz integriert. Dieser bewirkt, dass die Thyristoren bei zu hohem dv/dt sicher über die gesamte Gatestruktur zünden. 3.4.2 Ausschalten Das Ausschalten wird in der Regel durch Anlegen einer Rückwärtsspannung eingeleitet. Dabei unterbricht der Hauptstrom des Thyristors oder der Diode nicht im Nulldurchgang, sondern fließt kurzzeitig – bis die Ladungsträger aus der Sperrschicht ausgeräumt sind - in Sperrrichtung als Rückstrom weiter. Der Softnessfaktor FRRS beschreibt das Verhältnis der Stromsteilheiten während des Abschaltvorgangs. 3.4.2.1 Sperrverzögerungsladung Qr Qr ist die gesamte aus dem Halbleiter nach dem Umschalten von Durchlass- in Rückwärtssperrrichtung abfließende Ladung. Sie nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur, sowie Höhe und Abklingsteilheit des Durchlassstroms zu. Die angegebenen Werte gelten, wenn nicht anders spezifiziert, für vR = 0,5 VRRM und vRM = 0,8 VRRM und werden von 95% des jeweiligen Thyristortyps oder Diodentyps nicht überschritten. Dabei ist zumeist eine entsprechend angepasste RC-Beschaltung spezifiziert. Für Bauelemente mit der Typenbezeichung T…1N, T…3N und D…1N ist der im Datenblatt angegebene Wert ein maximaler Wert, der in der Serienprüfung 100% getestet wird. Die Sperrverzögerungsladung Qr ist im Wesentlichen von der Sperrschichttemperatur Tvj und von der Steilheit des abklingenden Stromes abhängig (siehe Abbildung 24 und Abbildung 25). 27 Technischer Erläuterungen - Bilder i,v tp FRRS -di di r dt dt tint ITM , IFM trr vT , v F -di/dt Qr t 0,25 IRM dir/dt IRM vR vRM 0,9 IRM Technischer Erläuterungen - Bilder des Ausschaltvorgangs von Thyristoren und Dioden Abbildung 23 Schematische Darstellung 1,1 Abb./Fig.20 Schematische Darstellung des Ausschaltvorgangs von Thyristoren und Dioden Qr (Tvj) / Qr (Tvj max) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 -80 -60 -40 -20 Tvj = Tvj -Tvj max [°C] 0 20 Abbildung 24 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf Qr(Tvj max) normierten Sperrverzögerungsladung Qr Q r (di/dt) / Q r (di/dt=10A/µs) Abb./Fig.21 1,2Typische Tvj-Abhängigkeit der auf Qr(Tvj max) normierten Sperrverzögerungsladung Qr 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 di/dt [A/µs] Abbildung 25 Typische di/dt-Abhängigkeit der auf Qr(di/dt=10A/µs) normierten Sperrverzögerungsladung Qr 28 3.4.2.2 Rückstromspitze IRM IRM ist der Maximalwert des Sperrverzögerungsstromes. Es gelten die für Qr angegebenen Abhängigkeiten und Betriebsbedingungen. Sofern IRM nicht in Diagrammen angegeben ist, kann dessen Wert näherungsweise wie folgt bestimmt werden: IRMtIrrRM≈ -di/dt 2 ⋅-di/dt Q r ⋅ Q⋅ Q r r 1...1,3 I 1...1,3 RM Für Bauelemente mit der Typenbezeichung T…1N, T…3N und D…1N ist der im Datenblatt angegebene Wert ein Maximalwert, der in der Serienprüfung 100% getestet wird. Die Rückstromspitze IRM ist im wesentlichen von der Sperrschichttemperatur Tvj und von der Steilheit des abklingenden Stromes abhängig (siehe Abbildung 26 und Abbildung 27). Technischer Erläuterungen - Bilder 1,1 IRM (Tvj) / IRM (Tvj max) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 Tvj = Tvj - Tvj max [°C] -10 0 10 20 Abbildung 26 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf IRM (Tvj max) normierten Rückstromspitze IRM IRM (di/dt) / IRM (di/dt=10A/µs) Abb./Fig.22 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf IRM (Tvj max) normierten Rückstromspitze IRM 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 di/dt [A/µs] Abbildung 27 Typische di/dt-Abhängigkeit der auf IRM (di/dt=10/µs) normierten Rückstromspitze IRM 29 3.4.2.3 Sperrverzögerungszeit trr trr ist die Zeit zwischen dem Nulldurchgang des Stroms und dem Zeitpunkt, zu dem eine Gerade durch 90% und 25% des abklingenden Rückstroms die Nulllinie schneidet (siehe Abbildung 23). Falls trr nicht angegeben ist, kann dessen Wert näherungsweise nach folgender Formel berechnet werden: trr ≈ 2⋅Qr IRM 3.4.2.4 Freiwerdezeit tq tq ist der Zeitabstand zwischen dem Stromnulldurchgang des zur Rückwärtsrichtung kommutierenden Stroms und der Wiederkehr der Vorwärts-Sperrspannung bei dem der Thyristor ohne Steuerimpuls noch nicht wieder einschaltet. Die tatsächlich in der Anwendung realisierte Pausenzeit bis zur Wiederkehr der VorwärtsSperrspannung wird als Schonzeit bezeichnet. Sie muss immer größer als die Freiwerdezeit eingestellt sein. Die Freiwerdezeit ist hauptsächlich abhängig von der Abklingsteilheit des Durchlassstroms, der Anstiegssteilheit der Vorwärts-Sperrspannung und der Sperrschichttemperatur (siehe Abbildung 29 - Abbildung 31) . Zur Ermittlung von tq muss die Dauer tP des Durchlassstromes so groß gewählt werden, dass der Thyristor zum Zeitpunkt der Kommutierung vollständig durchgeschaltet ist (siehe Abbildung 28). Die in den Datenblättern angegebenen Werte gelten für folgende Bedingungen: Sperrschichttemperatur Tvj = Tvj max DurchlassstromhöheiTM ≥ ITAVM Abklingsteilheit des Durchlassstromes Rückwärts-Sperrspannung Anstiegssteilheit der Vorwärts-Sperrspannung Vorwärts-Sperrspannung -diT/dt = 10 A/µs VRM = 100 V dvD/dt = 20 V/µs VDM = 0,67 VDRM Ausnahme: Schnelle Thyristoren wurden mit einer Stromsteilheit –di/dt=20A/µs abkommutiert. Das dvD/dt kann dabei variieren und wird durch den 5. Kennbuchstaben der Typenbezeichnung angegeben (Siehe Punkt 2.3) Für Netz-Thyristoren werden üblicherweise typische Werte der Freiwerdezeit angegeben, weil sie hauptsächlich in fremdgeführten Stromrichtern eingesetzt werden. In diesen Anwendungen liegt die Schonzeit im Allgemeinen deutlich höher als die Freiwerdezeit der Thyristoren. Wird die Schonzeit kleiner als die Freiwerdezeit, schaltet der Thyristor bei ansteigender Vorwärts-Sperrspannung, ohne Anliegen eines Steuerimpulses, erneut ein, es besteht Zerstörungsgefahr (ggf. tq-Grenzwerte anfragen). 30 Wird ein Thyristor mit einer Inversdiode (z.B. Freilaufdiode) betrieben, sind wegen der sehr geringen Abkommutierungsspannung höhere Freiwerdezeiten zu berücksichtigen (typ. 30% höher). Zusätzlich sollte bei dieser Art der Anwendung die Induktivität des Freilaufkreises minimiert werden, da sonst die Freiwerdezeit noch erheblich höhere Werte annehmen kann. Technischer Erläuterungen - Bilder iT 50% ITM -diT/dt tP t iR dvD/dt vD 63% tq VDM vT VRM vR t vR Abb./Fig.23 Schematische Darstellung vom Ausschalten und Freiwerden eines Thyristors Abbildung 28 Schematische Darstellung zum Ausschaltverhalten eines Thyristors Technischer Erläuterungen - Bilder 1,2 1,1 tq (Tvj) / tq (Tvj max) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 Tvj = Tvj - Tvj max [°C] -10 0 10 20 Abbildung 29 Typische Abhängigkeit der auf Tvj max normierten Freiwerdezeit tq von der Sperrschichttemperatur Tvj Abb./Fig.24 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf tq(Tvj max) normierten Freiwerdezeit tq 31 Technischer Erläuterungen - Bilder tq(-diT/dt) / tq(-di T/dt=10A/ tq(-di / t q(-di T/dts) T/dt) norm) 1,3 1,2 -diT/dtnorm: N-Thyristor: 10A/µs S-Thyristor: 20A/µs 1,1 1,2 1,0 1,1 0,9 1,0 0,8 0,9 0,7 0 1 2 0 3 5 4 5 6 -diT/dt / -diT/dtnorm 10 -diT/dt [A/ s] 7 8 15 9 10 20 Abb./Fig.25 Typische diT/dt-Abhängigkeit der auf tq(diT/dtnorm) normierten tq Abbildung 30 T ypische diT/dt-Abhängigkeit der aufFreiwerdezeit t (-di /dt=10A/µs) normierten Freiwerdezeit tq von der TechnischerAbkommutierungssteilheit Erläuterungen - Bilder –di/dt q T 1,8 tq (dvD/dt) / tq (dvD/dt=20V/µs) 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0 100 200 dvD/dt [V/µs] 300 400 500 Abbildung 31 T ypische Abhängigkeit der auf dvD/dt = 20V/µs normierten Freiwerdezeit tq von der Spannungssteilheit dvD/dt Abb./Fig.26 Typische duD/dt-Abhängigkeit der auf tq(duD/dt = 20V/µs) normierten Freiwerdezeit tq 32 3.5 Verlustleistungen Man unterscheidet bei Thyristor und Diode Sperr-, Durchlass-, Ein- und Ausschaltverlustleistung. Beim Thyristor treten zudem Steuerverluste auf. Bei vorgegebenen Kühlverhältnissen ist deren Summe für die Strombelastbarkeit maßgebend. Für den Netzbetrieb bis 60Hz mit seinen moderaten dynamischen Belastungen kann die Dimensionierung ausschließlich mit Durchlassverlusten durchgeführt werden, weil die Summe der sonstigen Verluste demgegenüber vernachlässigbar sind. Für hochsperrende (> 2200V) oder großflächige Halbleiter mit einem Element-Ø ≥ 80mm sollten aber auch bei Netzbetrieb die Ausschaltverluste mit betrachtet werden. 3.5.1 Gesamtverlustleistung Ptot Ptot ist der Mittelwert der Summe der Einzelverlustleistungen. 3.5.2 Sperrverlustleistung PD, PR PD, PR ist die, durch Sperrstrom und Sperrspannung erzeugte, Verlustleistung in Vorwärts- (PD) und in Rückwärts richtung (PR). 3.5.3 Durchlassverlustleistung PT, PF PT, PF ist die in Wärme umgesetzte elektrische Leistung, wenn nur der leitende Zustand in Vorwärtsrichtung betrachtet wird. Der Mittelwert der Durchlassverlustleistung PTAV bzw. PFAV wird mit den Werten der Ersatzgeraden nach folgender Formel berechnet: PTAV PFAV = VT(TO) • ITAV + rT • I²TRMS= VT(TO) • ITAV + rT • I²TAV • F² (für Thyristoren) = VF(TO) • IFAV + rT • I²FRMS= VF(TO) • IFAV + rT • I²FAV • F² (für Dioden) Formfaktoren entnehmen Sie der Tabelle 1 Diagramme in den Datenblättern zeigen den Zusammenhang zwischen Mittelwert der Durchlassverlustleistung und Durchlassstrom für verschiedene Kurvenformen des Stromes. Statt der Berechnung der Durchlassverluste mittels vT0,vF0 und rT kann alternativ die Durchlassspannung mittels einer genaueren Annäherung über folgende Beziehung berechnet werden: v T = A + B ⋅ i T + C ⋅ Ln( i T + 1) + D ⋅ iT Die Faktoren A, B, C und D sind in den Datenblättern angegeben. Ausnahme: PowerBLOCK-Module weisen keine spezifizierten ABCD-Koeffizienten auf. 33 Stromform Current waveform Scheitelfaktor peak factor 0° î I AV Formfaktor form factor IRMS I AV Formfaktor² form factor² î IRMS M= sinus 180° el 2 π = 3,14 π / 2 = 1,57 2,47 sinus 120° el 2,23 4,18 1,875 3,52 sinus 90° el 2,83 6,29 2,22 4,93 sinus 60° el 3,88 10,9 2,77 7,66 sinus 30° el 5,88 23,42 3,98 15,8 DC 1 1 1 1 rect 180° el 2 = 1,41 2 2 = 1,41 2 rect 120° el 3 = 1,73 3 3 = 1,73 3 rect 90° el 4 =2 4 4 =2 4 rect 60° el 6 = 2,45 6 6 = 2,45 6 rect 30° el 12 = 3,46 S= 0° Mittelfaktor average factor F2 180° 0 0 F= 180° 12 12 = 3,46 12 Tabelle 1 Formfaktoren für Phasenanschnittbedingungen 3.5.4 Schaltverlustleistung PTT, PFT+PRQ PTT, PFT+PRQ sind die in Wärme umgesetzte elektrische Leistungen beim Einschalten (PTT bei Thyristoren, PFT bei Dioden) und Ausschalten (PRQ). Mit zunehmender Durchlassstromsteilheit beim Ein- und Ausschalten sowie mit steigender Wiederholfrequenz wächst die mittlere Schaltverlustleistung. Bis zu mittelgroßen Thyristoren und Dioden mit einem Sperrvermögen bis 2200V ist in Anwendungen bei Netzfrequenz bis 60 Hz die Schaltverlustleistung gegenüber der Durchlassverlustleistung meist vernachlässigbar. Für hochsperrende > 2200V oder großflächige Halbleiter mit einem Element-Ø ≥ 80mm sollten aber auch bei Netzbetrieb die Ausschaltverluste mit betrachtet werden (ggf. Anfrage). Die Einschaltverlustleitung von Dioden ist aber auch hier in der Regel vernachlässigbar. 3.5.4.1 Einschaltverlustleistung PTT, PFT PTT, PFT ist der die Durchlassverlustleistung PT (bei Thyristoren) bzw. PF (bei Dioden) übersteigende Verlustleistungsanteil beim Einschalten. Sie wird einerseits durch das Trägheitsverhalten und andererseits durch die zeitlich verzögerte Ausbreitung der stromführenden Fläche verursacht. Um möglichst großflächig einzuschalten sind viele Thyristoren mit innerer Zündverstärkung ausgestattet. Diese besteht aus einem oder mehreren amplifying gates (= Hilfsthyristoren). Bei großflächigen Thyristoren ist zudem das amplifying gate verzweigt (Fingerstruktur). Dadurch wird zum Zündzeitpunkt eine größere Fläche leitend und die Einschaltverluste werden reduziert. 34 Die Summe der zur Berücksichtigung von Erwärmung wichtigen Einschalt- und Durchlassverlustleistung PTT, PFT + PT, PF kann aus dem zeitlichen Verlauf von Durchlassstrom und Durchlassspannung während und nach dem Einschalten wie folgt ermittelt werden. 1 PTT +PT = tT tT 1 tT tT PFT +PF = (für Thyristoren) ∫ i (t) ⋅ v (t)dt T T 0 ∫ iF (t) ⋅ vF (t)dt (für Dioden) 0 In der Praxis werden die Einschaltverluste üblicherweise vernachlässigt. 3.5.4.2 Ausschaltverlustleistung PRQ Ausschaltverluste entstehen als Folge des Trägheitsverhaltens. Sie sind vom Verlauf des Sperrverzögerungsstroms sowie von der Höhe und Steilheit der Rückwärts-Sperrspannung abhängig und lassen sich deshalb durch die Beschaltung beeinflussen (siehe Abbildung 23). Für die festzulegende Zeitspanne tint einer Integration errechnet sich die Ausschaltverlustleistung wie folgt: PRQ = 1 tint tint ∫ i (t) ⋅ v (t)dt R R 0 Näherungsweise kann die Ausschaltverlustleistung wie folgt berechnet werden: PRQ = ERQ * f ≈ Qr * vR * 0,4 * f für Durchlassgrenzkennlinie PRQ = ERQ * f ≈ Qr * vR * 0,5 * f für typische Durchlasskennlinie ERQ = Ausschaltverlustenergie f = Frequenz Qr = maximale Sperrverzögerungsladung vR = treibende Spannung nach der Kommutierung 3.5.5 Steuerverlustleistung PG PG ist die aufgrund des Steuerstromes zwischen Steueranschluss und Kathode in Wärme umgesetzte elektrische Leistung. Man unterscheidet Spitzensteuerverlustleistung PGM (Produkt der Spitzenwerte von Steuerstrom und -Spannung) und mittlere Steuerverlustleistung PGAV (arithmetischer Mittelwert der Steuerverlustleistung bezogen auf die Periodendauer). 3.6 Isolationsprüfspannung VISOL Die Isolationsprüfspannung VISOL ist der Effektivwert einer sinusförmigen Spannung zwischen der Bodenplatte und den Anschlusslaschen eines Thyristor- bzw. Diodenmoduls. Für DC-Anforderungen entspricht VISOL DC dem Scheitelwert des spezifizierten Effektivwerts (d.h. √2 * VISOL). Die stromführenden Anschlüsse werden bei der Prüfung miteinander verbunden und gegen die Bodenplatte mit VISOL beaufschlagt. 35 4. Thermische Eigenschaften Die im Halbleiter in Wärme umgesetzte elektrische Verlustleistung muss zum Erhalten des thermischen Gleichgewichts abgeführt werden. Dafür stehen Kühlkörper mit definierten Kühleigenschaften zur Verfügung. Zur Beschreibung dieser Funktion Technischer Erläuterungen - Bilder werden in Analogie zur Elektrotechnik thermische Ersatzschaltbilder nach Abbildung 32 herangezogen. a b Ptot Ptot Tvj Tvj RthjC RthjC[A] TC QW TC RthCH TH QW RthCA RthCH[A] RthCA[A] RthHA TH RthHA[A] TA Tvj RthjC RthjC[K] TC TC RthCH RthCH[K] TH RthCA[K] RthHA[K] TA TH RthCA RthHA TA Abbildung 32 Thermisches Ersatzschaltbild für Dioden und Thyristoren Rth JC = statischer Wärmewiderstand Sperrschicht – Gehäuse Rth CH = statischer Übergangs-Wärmewiderstand Gehäuse – Kühlkörper Rth HA = statischer Kühlkörperwärmewiderstand Abb./Fig.27 Thermisches Ersatzschaltbild für Dioden und Thyristoren a - einseitige Kühlung b - beidseitige Kühlung 4.1 Temperaturen 4.1.1 Sperrschichttemperatur Tvj, Tvj max Die Sperrschichttemperatur ist die wichtigste Bezugsgröße für alle wesentlichen elektrischen Eigenschaften. Sie stellt einen räumlichen Mittelwert innerhalb des Halbleitersystems dar und wird daher genauer auch Ersatzsperrschichttemperatur oder virtuelle Sperrschichttemperatur genannt. Die Einhaltung der höchstzulässigen Sperrschichttemperatur Tvj max ist für die Funktion und die Zuverlässigkeit des Bauelementes bedeutend. Das Überschreiten dieses Grenzwertes kann die Eigenschaften des Halbleiters irreversibel verändern und ihn zerstören. 4.1.2 Gehäusetemperatur TC TC ist die höchste Temperatur an der Kontaktfläche des Thyristor- oder Diodengehäuses einer Scheibenzelle, oder der Bodenplatte eines PowerBLOCK-Moduls. 36 4.1.3 Kühlkörpertemperatur TH TH ist die Temperatur des Kühlkörpers, die sich auf Grund des Wärmeflusses vom Halbleiter zum Kühlmedium, zwischen der Kontaktfläche des Kühlers und dem Kühlmedium, einstellt. Die von Infineon angebotenen Kühler wurden mit montierten Bauelementen ausgemessen und spezifiziert. Die angegebenen Kühlerdaten beinhalten somit bereits den Übergangswärmewiderstand RthCH zwischen Bauelement und Kühler. Dieser muss daher bei der Kalkulation nicht mehr berücksichtig werden. 4.1.4 Kühlmitteltemperatur TA TA ist die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Kühlkörper. Bei Luftkühlung wird diese auf der einströmenden Seite des Kühlers definiert. Bei Flüssigkühlung wird diese am Eingang des Kühlers definiert. 4.1.5 Betriebstemperaturbereich Tcop Tcop ist der Gehäusetemperaturbereich, in dem Leistungshalbleiter betrieben werden dürfen. 4.1.6 Lagertemperaturbereich Tstg Tstg ist der Temperaturbereich, in dem Leistungshalbleiter ohne elektrische Beanspruchung gelagert werden dürfen. Unabhängig von der zeitlich unbegrenzten höchstzulässigen Sperrschichttemperatur beträgt die höchstzulässige Lagertemperatur für Epoxyscheibenzellen und für PowerBLOCK-Module Tstg = 150°C mit zeitlicher Begrenzung auf 672 h gemäß DIN IEC 60747-1. 4.2 Wärmewiderstände 4.2.1 Innerer Wärmewiderstand RthJC RthJC ist das Verhältnis der Differenz aus Sperrschichttemperatur Tvj und Gehäusetemperatur TC zur Gesamt verlustleistung Ptot : R thJC = Tvj - TC Ptot Er hängt vom inneren Aufbau sowie von Form und Frequenz des Durchlassstroms ab. Der Wärmewiderstand für eine beidseitige Kühlung ist gegenüber der einseitigen Kühlung geringer aufgrund der Parallelschaltung der Einzelwärmewiderstände (siehe Abbildung 32). Der Wärmewiderstand ist bauartbedingt. Er wird daher nicht 100% stückgeprüft, sondern im Rahmen der Typenprüfung abgesichert. 4.2.2 Übergangswärmewiderstand RthCH RthCH ist das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktflächen von Bauelement und Kühlkörper TC – TH zur Gesamtverlustleistung Ptot: R thCH = TC - TH Ptot Die angegebenen Werte gelten nur bei sachgerechter Montage (siehe 8.). 37 4.2.3 Kühlkörperwärmewiderstand RthCA RthCA ist das Verhältnis der Differenz aus Gehäusetemperatur TC und Kühlmitteltemperatur TA zur Gesamtverlustleistung Ptot: R thCA = TC - TA Ptot 4.2.4 Gesamtwärmewiderstand RthJA RthJA ist das Verhältnis der Differenz aus Ersatzsperrschichttemperatur Tvj und Kühlmitteltemperatur TA zur Gesamtverlustleistung Ptot: R thJA = Tvj - TA Ptot = R thJC +R thCA 4.2.5 Transienter innerer Wärmewiderstand ZthJC ZthJC gibt den Verlauf des Bauelementwärmewiderstands über die Zeit wieder. In den Datenblättern wird ZthJC für Konstantstrom (DC) und zum Teil auch für Pulsströme angegeben. Außerdem sind die Teilwärmewiderstände Rthn und Zeitkonstanten τn als analytische Funktion tabellarisch zusammengestellt. nmax Z(th)JC = ∑ R thn(1 -e -t tn ) n=1 4.2.6 Transienter Kühlkörperwärmewiderstand ZthCA ZthCA gibt den Verlauf des Kühlerkörperwärmewiderstands über die Zeit wieder. In Einzelblättern wird ZthCA angegeben. Außerdem sind die Werte RthCAn und n der analytischen Funktion tabellarisch zusammengestellt. Für Kühlkörper gibt es keinen allgemein definierten transienten Wärmewiderstand. Dieser hängt einerseits von der Kontaktfläche des Übergangs zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper ab. Anderseits haben die Kühlart (natürlich/verstärkt) und der Durchfluss des Kühlmediums einen starken Einfluss. Bei natürlicher Kühlung und Ölkühlung wird der Durchfluss des Kühlmediums durch die Konvektion der Luft bzw. des Öls verursacht. Da die Verlustleistung die Konvektion bestimmt, wird bei natürlicher Kühlung und Ölkühlung die jeweilige Verlustleistung spezifiziert. Die richtige Ausrichtung und Position des Kühlers ist dabei zu beachten. Bei verstärkter Kühlung und Wasserkühlung wird die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums spezifiziert. Kurzzeitige Temperaturschwankungen durch Impulsströme sind weitgehend unabhängig von diesen Parametern. Sie werden durch die große Wärmekapazität des Kühlkörpers nivelliert. 38 Die von Infineon angebotenen Kühler wurden mit montierten Bauelementen ausgemessen und spezifiziert. Die angegebenen Kühlerdaten beinhalten bereits den Übergangswärmewiderstand RthCH zwischen Bauelement und Kühler. Dieser muss daher nicht berücksichtig werden. 4.2.7 Transienter Gesamtwärmewiderstand ZthJA ZthJA gibt den Verlauf des Gesamtwärmewiderstands über die Zeit wieder. Zur Berechnung der Sperrschichttemperatur bei Kurzzeitbelastungen ist vom transienten Gesamtwärmewiderstand auszugehen. ZthJA ist die Summe aus: ZthJA = ZthJC + ZthCA 4.3 Kühlung 4.3.1 Natürliche Luftkühlung Bei natürlicher Luftkühlung (Luftselbstkühlung) wird die Verlustleistung durch natürliche Konvektion der Luft abgeführt. Standardmäßig wird die Strombelastbarkeit der Leistungshalbleiter bei einer Umgebungstemperatur TA = 45°C definiert. 4.3.2 Verstärkte Luftkühlung Bei verstärkter Luftkühlung wird die Kühlluft mittels Lüfter durch die Kühlrippen des Kühlkörpers gesaugt oder gedrückt. Standardmäßig wird die Strombelastbarkeit der Leistungshalbleiter bei einer Umgebungstemperatur TA = 35°C definiert. 4.3.3 Wasserkühlung Bei Wasserkühlung wird die Verlustwärme durch Wasser abgeführt. Standardmäßig wird die Strombelastbarkeit der Leistungshalbleiter bei einer Wasservorlauftemperatur TA = 25°C definiert. 4.3.4 Ölkühlung Bei Ölkühlung wird die Verlustwärme durch Öl abgeführt. Standardmäßig wird die Strombelastbarkeit der Leistungshalbleiter bei einer Ölvorlauftemperatur TA = 70°C definiert. 39 5. Mechanische Eigenschaften 5.1 Anzugsdrehmoment Infineon empfiehlt die für PowerBLOCK-Module und Schraubsockelgehäuse die im Datenblatt angegebenen Anzugsdrehmomente bei der Montage einzuhalten, da sonst die einwandfreie Funktion im angegebenen Datenrahmen nicht gewährleistet ist. (vgl. 8.2) 5.2 Anpresskraft Bei Bauelementen mit Flachboden- oder Scheibengehäuse ist die im Datenblatt angegebene Anpresskraft zum einwandfreien elektrischen und thermischen Kontaktieren erforderlich. Sie muss weitgehend homogen über die Kontaktflächen aufgebracht werden (vgl. 8). Der Anpresskraftbereich für Bauelemente im Scheibengehäuse ist den jeweiligen Datenblättern zu entnehmen. Er muss exakt eingehalten werden, Abweichungen können den Datenrahmen verändern und bedürfen gesonderter Vereinbarung. Es wird eine Anpresskraft empfohlen, die etwa in der Mitte des ausgewiesenen Bereichs liegt. 5.3 Kriechstrecke Die Kriechstrecke zwischen Anode und Kathode bzw. Anode und Steueranschluss ist nach DIN VDE 0110 definiert. 5.4 Feuchteklasse Die Angaben hierzu entsprechen DIN IEC 60721-3 (3K3). 5.5 Schwingfestigkeit / Vibration Die Angabe gilt in Anlehnung an DIN IEC 60068, Teil 2-6. Sie wird im Datenblatt als Mehrfaches der Erdbeschleunigung (1g = 9,81m/s²) angegeben. 5.6 UL-Zulassung PowerBLOCK-Module entsprechen in der Regel der Norm für elektrisch isolierte Halbleiterbauelemente von Underwriters Laboratories Inc. Die zugehörige File-No. ist in den entsprechenden Datenblättern unter dem Punkt Mechanische Eigenschaften angegeben. 40 6. Einsatzhinweise 6.1 Gehäusegrenzstrom Der Gehäusegrenzstrom ist der Maximalwert eines Stromimpulses in Rückwärtsrichtung, bei dem weder eine mechanische Zerstörung des Gehäuses noch der Austritt zündfähigen Plasmas erfolgt. Die in den Daten genannten Stoßstromgrenzwerte ITSM, IFSM und Grenzlastintegrale ∫i²dt geben die elektrische Grenzbeanspruchung in Vorwärtsrichtung an. Sie dienen zur Auslegung des Kurzschlussschutzes. Definitionsgemäß werden die Thyristoren oder Dioden durch diese Belastung noch nicht zerstört. Thyristoren müssen grundsätzlich mit ausreichendem Steuerstrom gezündet werden. Ist der in Vorwärtsrichtung fließende Kurzschlussstrom höher als die angegebenen Grenzwerte, so treten zunächst elektrische Zerstörungen auf. Mechanisch werden die Gehäuse der Bauelemente erst bei wesentlich höheren Beanspruchungen zerstört, weil sich an der Stromführung die gesamte aktive Fläche des Halbleiters beteiligt. Wird ein Thyristor oder eine Diode in Rückwärtsrichtung defekt, so fließt ein Kurzschlussstrom in Rückwärtsrichtung. Dabei beteiligt sich der noch unzerstörte Kathodenbereich nicht an der Stromführung. Um die Zerstörungsstelle schmilzt ein schmaler Rand auf und im Inneren des Gehäuses entsteht ein Lichtbogen. Das geschmolzene Material verdampft zu heißem Plasma, das je nach Intensität zur Zerstörung des Gehäuses führen kann. In der Regel entsteht ein Loch am Flansch des Gehäuses, aus dem heißes Plasma austritt. Bei Hochleistungsanlagen, in denen starke Magnetfelder auftreten, kann es dadurch zum Kurzschluss und zur Zerstörung der Anlage kommen. In Rückwärtsrichtung durchgeführte zerstörende Messungen an Thyristoren und Dioden zeigen einen großen Streubereich des Gehäusegrenzstroms, je nach Lage der Zerstörungsstelle auf dem Siliziumelement. Infineon legt die Zerstörungsstelle immer in Randnähe, da so die kritischsten Gehäusegrenzströme auftreten. Von Einfluss ist auch die von den im Kurzschlusskreis liegenden Induktivitäten abhängige Anstiegssteilheit des Kurzschlussstroms. Infineon spezifiziert den Gehäusegrenzstrom für eine 50Hz-Sinushalbwelle. Bei Dioden und Thyristoren kann der Gehäusegrenzstrom kleiner als der Stoßstromgrenzwert ITSM bzw. IFSM sein. In diesem Fall ist bei Scheibenzellen in den Datenblättern zusätzlich der Gehäusegrenzstrom als Scheitelwert einer Sinushalbschwingung von 50 Hz angegeben. Der daraus abgeleitete I²t-Wert kann auf den Scheitelwert einer Sinushalbschwingung von 60Hz umgerechnet werden. Umrechnungen dieses Gehäusegrenzstromes auf andere Stromverläufe, wie sie z.B. beim Abschalten von Kurzschlussströmen durch Sicherungen auftreten, sind selbst unter der Annahme eines entsprechenden StromZeit-Integrals nicht oder nur bedingt richtig. Um Schäden zu vermeiden, muss der Anwender geeignete Schutzmaßnahmen vorsehen, speziell in Hochleistungsanlagen. 6.2 Thermische Lastwechsel Bei thermischen Lastwechseln kommt es in Halbleitersystemen als Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien zu mechanischen Spannungen oder gleitenden Verschiebungen. Die Lastwechselbeständigkeit von Bauelementen ist deshalb von der Höhe sowie der zeitlichen Abfolge der Temperaturänderungen im Bauelement und von der Anzahl der Zyklen abhängig. Rasche Temperaturänderungen geringer Höhe, wie sie üblicherweise bei Dauerbetrieb mit Wiederholfrequenz f0 ≥ 40Hz auftreten, beeinträchtigen die Lastwechselbeständigkeit nicht. Nur bei Betrieb mit starker Laständerung oder niedriger Wiederholfrequenz ist im Hinblick auf eine ausreichende Lebensdauer bei thermischen Lastwechseln auf die Höhe der raschen Temperaturänderung ΔTvj im Bauelement zu achten. 41 6.3 Parallelschaltung Beim Parallelschalten von Thyristoren oder Dioden ist in den zugehörigen Zweigen eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Laststroms anzustreben. Ursachen für Abweichungen von der idealen Stromaufteilung sind: n U nterschiedliche Bahnwiderstände in den parallelen Zweigen. Sie werden durch die Streuung der Durchlasskennlinien der Thyristoren und durch den konstruktiven Aufbau der Parallelschaltung verursacht (siehe Abbildung 34). Dynamische Einflüsse, wie: Streuung des Zündverzugs n Unterschiede im dynamischen Durchlassverhalten n z usätzlich induzierte Spannungen, bedingt durch den konstruktiven Aufbau der Schaltung. n Ergänzend ist zu beachten, dass sich über den zuerst zündenden Thyristor alle RCGlieder der jeweils parallelen Beschaltungen der benachbarten Zweige entladen. Gleichmäßige Stromaufteilung in den parallelen Zweigen lässt sich durch folgende Maßnahmen erreichen: Technischer Erläuterungen - Bilder n E insatz von Thyristoren oder Dioden mit etwa gleichen Durchlassspannungen. Auf Anfrage ist die Lieferung solcher Bauelemente in Gruppen mit gleicher vT- bzw. vF-Klasse möglich. Die Kennzeichnung der vT- bzw. der vF-Klasse erfolgt auf der Keramikscheibenzelle. Hierfür wird ein „V“ gefolgt von einer 4 stelligen Zahl aufgedruckt. „V“ steht als Kürzel für die Durchlassspannung. Die 4 stellige Zahl kennzeichnet die maximale Durchlassspannung der entsprechenden vT-/vF-Klasse und die Klassenbreite (Siehe Abbildung 33). V1435 143x10mV = 1,43V 5x10mV = 50mV Max vT der Klasse Max vT of class Klassenbreite class width 1,38V < vT <= 1,43V Abbildung 33 Beispiel für vT/vF-Klassen Definition n W eitgehend gleiche Bahnwiderstände. Zusätzliche Reihenwiderstände in den n Einzelzweigen der parallel geschalteten Thyristoren oder Dioden, z.B. Sicherungen, verbessern die Symmetrie. E insatz von Vorschaltdrosseln zur gleichmäßigen Stromübernahme der Thyristoren nGeringe Streuung der Zündverzugswerte. Zur Minimierung ist die Ansteuerung der 42 Thyristoren mit synchronen, steilen und hohen Steuerstromimpulsen erforderlich: iGM ≥ 4...10 IGT diG/dt ≥ iGM/(0,5-1µs) Nach dem Zünden des ersten Thyristors sinkt die Anoden-Kathoden-Spannung an den parallelen Bauelementen auf den Wert von dessen Durchlassspannung. Folglich nimmt der spannungsabhängige Zündverzug der etwas später einschaltenden Thyristoren zu und der Einschaltbeginn dieser Thyristoren verzögert sich entsprechend. Das ist insbesondere bei lichtgezündeten Thyristoren zu beachten, da diese eine höhere Anoden-KathodenSpannung benötigen, um sicher einzuschalten. Für Hochleistungsthyristoren (T…1N) wird im Datenblatt ein Zündimpuls zur Zündverzugszeit empfohlen. Mit diesem kann die Streuung der Zündverzugszeiten tgd unter den angegebenen Nebenbedingungen auf Werte Δtgd < 0,5 µs reduziert werden. In Verbindung mit der Beschaltung reicht das in der Regel für sicheres Zünden der Thyristoren aus, was zusätzliche Selektionen erübrigt. Für die Parallelschaltung lichtzündbarer Thyristoren (T…3N) empfiehlt Infineon den Einsatz von Laserdioden SPL PL90 mit geeignetem Lichtwellenleiter und Steuerimpuls für die Laserdiode von 1,3 A für 2 µs und folgend 0,8 A für 8µs (siehe Abbildung 18) n D ie oben beschriebenen Steuerstromimpulse stellen zudem sicher, dass die Unterschiede im dynamischen Durchlassverhalten minimiert werden. n I nsbesondere bei großen und hochsperrenden Thyristoren besteht die Gefahr, dass einige von diesen nach erfolgtem Zünden wegen zu geringer Durchlassstromdichte wieder in den Vorwärts-Sperrzustand zurückkehren. Hier lässt sich bei erneutem Laststromanstieg die Überlastung der stromführenden Thyristoren durch Nachzünden vermeiden. Im Allgemeinen strebt man eine Stromfehlaufteilung ≤ 10% an. Technischer Erläuterungen - Bilder IF, I T I1 I2 Vparallel vF, vT Abbildung 34 Stromfehlverteilung infolge unterschiedlicher Durchlassspannungen bei Parallelschaltung Abb./Fig.28 Stromfehlverteilung infolge unterschiedlicher Durchlassspannungen bei Parallelschaltung 43 6.4 Reihenschaltung Bei Reihenschaltung von Thyristoren oder Dioden ist die weitgehend gleichmäßige Aufteilung der anliegenden Sperrspannung anzustreben. Ursachen für Abweichungen von der idealen Spannungsaufteilung sind: n U nterschiedliche Sperrströme Ohne Beschaltungsmaßnahmen kann im statischen Sperrzustand in beiden Richtungen eine ungünstige Spannungsaufteilung auftreten, da sich diese an den einzelnen Thyristoren oder Dioden entsprechend dem einheitlichen Sperrstrom in der Reihenschaltung einstellt (siehe Abbildung 35). n S treuung des Zündverzugs Beim Einschalten werden die zuletzt zündenden Thyristoren mit höherer Sperrspannung beansprucht. n S treuung der Sperrverzögerungsladung Unterschiede in der Sperrverzögerungsladung Qr haben unterschiedliche Sperrverzögerungszeiten trr und Rückstromspitzen IRM zur Folge, d.h. die Thyristoren, oder Dioden übernehmen zu verschiedenen Zeiten Sperrspannung (siehe Abbildung 36). Die Streuung der Sperrverzögerungsladung ΔQr zweier in Reihe geschalteter Thyristoren oder Dioden führt zur Spannungsabweichung ΔV ≈ ΔQr/C, wobei C der Kondensator der jeweils parallelen Beschaltungen ist (siehe Punkt 7.1). iD , iR Technischer Erläuterungen - Bilder Iseries V1 V2 vD, vR Abbildung 35 Spannungsfehlverteilung infolge unterschiedlicher Sperrströme bei Reihenschaltung Abb./Fig.29 Spannungsfehlverteilung infolge unterschiedlicher Sperrströme bei Reihenschaltung 44 i,v iT , i F vT , v F t iR Qr vR V= Qr/C Abbildung 36 Spannungsfehlaufteilung infolge unterschiedlichen Ausschaltverhaltens hlaufteilung infolge unterschiedlichen Ausschaltverhaltens Gleichmäßige Sperrspannung an in Reihe geschalteten Thyristoren und Dioden lässt sich durch folgende Maßnahmen erzielen: n Statische Spannungsaufteilung während der Sperrphase Dafür reicht die RC-Beschaltung oftmals aus. Bei länger anstehender Gleichsperrspannung ist ein zusätzlicher Symmetriewiderstand parallel zu jedem Thyristor oder jeder Diode notwendig. Er sollte etwa den drei bis fünffachen Sperrstrom des eingesetzten Leistungshalbleiters bei Betriebstemperatur führen, um eine statische Spannungssymmetrisierung von außen zu erzwingen. Liegt die Betriebstemperatur unterhalb der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur für Dauerbetrieb, so sinkt der Sperrstrom pro 10°C auf ca. 66% des Ausgangswertes. So gilt z.B. für Thyristoren mit höchstzulässiger Sperrschichttemperatur Tvj max = 125°C: 0,66 ID bzw. 0,66 IR bei Tvj = 115°C 0,44 ID bzw. 0,44 IR bei Tvj = 105”C, usw. n D ynamische Spannungsaufteilung beim Einschalten Zum Reduzieren der Streuung der Zündverzugswerte ist grundsätzlich die Ansteuerung der elektrisch zündbaren Thyristoren mit synchronen sowie steilen und hohen Steuerimpulsen erforderlich: iGM ≥ 4...10 IGT diG/dt ≥ iGM/(0,5-1µs) Derart kräftige Steuerimpulse reduzieren die Streuung des Zündverzugs auf Werte Δtgd < 1 µs. Außerdem muss 45 dafür gesorgt werden, dass bis zum Einschalten der zuletzt zündenden Thyristoren an diesen die Sperrspannung nur langsam zunimmt. Dafür genügt vielfach die RCBeschaltung. Falls aber die mit diesen RC-Gliedern zusammenwirkende Induktivität des Kreises nicht zur Reduzierung der Sperrspannungszunahme ausreicht, sind zusätzliche sättigbare Induktivitäten vorzusehen. Für Hochleistungsthyristoren (T…1N) wird im Datenblatt ein Zündimpuls zur Zündverzugszeit empfohlen, mit diesem, oder besseren Impulsen kann die Streuung der Zündverzugszeiten unter den angegebenen Nebenbedingungen auf Werte Δtgd < 0,5 µs reduziert werden. Für Reihenschaltung lichtzündbarer Thyristoren (T…3N) die mit hoher Stromsteilheit beansprucht werden, empfiehlt Infineon den Einsatz von Laserdioden SPL PL90 mit geeignetem Lichtwellenleiter und Steuerimpuls 1,3 A für 2 µs und folgend 0,8 A für 8µs. n D ynamische Spannungsaufteilung beim Ausschalten Beim Ausschalten kann die Fehlaufteilung der Sperrspannung sowohl durch ausreichende Dimensionierung der parallelen Beschaltungen als auch durch geringe Streuung der Sperrverzögerungsladung ΔQr der in Reihe geschalteten Thyristoren günstig beeinflusst werden. Auf Anfrage ist die Lieferung von Thyristoren oder Dioden in Gruppen mit gleicher Qr-Klasse möglich. 6.5 Pulsed Power Pulsed Power Applikationen sind im Allgemeinen Anwendungen mit großem PulsPausen-Verhältnis. Generell muss bei der Dimensionierung von für Pulsed Power optimierten Halbleitern auf folgendes geachtet werden: 6.5.1 Anwendungen mit Gleichspannung Oftmals werden bei Pulsed Power Applikationen die Leistungshalbleiter mit einer hohen Gleichspannung belastet. Dabei sind die Einschränkungen bzgl. reduzierter Spannungsbelastbarkeit zu beachten (siehe 3.1.2.3 und 3.2.2.3). 6.5.2 Stromsteilheit beim Einschalten Bedingt durch die endliche Ausbreitung der gezündeten Fläche (~ 0,1 mm/µs) beim Einschalten eines Thyristors konzentriert sich der Laststrom zunächst auf eine kleine Fläche. Übersteigt die Stromdichte kritische Werte, so muss mit der Zerstörung des Bauelements gerechnet werden. Daher nimmt die Stoßstromamplitude bei kürzeren Pulszeiten stark ab (siehe Abbildung 37). 46 Technischer Erläuterungen - Bilder ITSM(tP) / ITSM(10ms) 10 ITSM-Limit di/dt-Limit Safe Operation Area 1 0,1 0,01 tp [ms] 0,1 1 10 Abbildung 37 Prinzipielle Darstellung der Safe Operation Area (SOA) eines für Pulsed Power optimierten Thyristors für einzelne sinusförmige Strompulse Abb./Fig.31 Prinzipielle Darstellung der Safe Operating Area (SOA) eines Thyristors für einzelne Strompulse. 6.5.3 Durchschwingen von Strom und Spannung durch Null während des Einschaltvorganges. Bei anliegender positiver Spannung kann ein Thyristor mittels Zündimpuls eingeschaltet werden. Nach der Zündverzugszeit von bis zu einigen µs bricht die Spannung steil zusammen, der Laststrom steigt an und die Ausbreitung der eingeschalteten Fläche beginnt. Kommt es während dieses Vorgangs zum Umschwingen von Spannung und Strom zu negativen Werten, erfolgt eine Einschnürung der eingeschalteten Fläche. Die Energie wird auf eine kleine Fläche konzentriert und kann den Halbleiter, unabhängig davon ob er mit Licht oder elektrisch gezündet wurde, zerstören. Solche Betriebszustände sind durch Verwendung geeigneter Freilaufkreise zu vermeiden. 6.5.4 Ausschalten mit hohem di/dt gegen negative Spannung Diese Betriebszustände sollten nach Möglichkeit vermieden werden, weil sie sehr hohen Beschaltungsaufwand verursachen, falls sie überhaupt beherrschbar sind. Die Spannungsspitzen entstehen durch den Abriss des Rückstroms und durch die Induktivitäten im Kreis und müssen auf für die Halbleiter zulässige Werte begrenzt werden. Abbildung 38 und Abbildung 39 zeigen für Pulsed Power Applikationen einsetzbare Schaltungen und die dadurch Technischer ErläuterungenBeanspruchungen - Bilder verursachten der Halbleiter. In der Schaltung gemäß Abbildung 39 werden die Thyristoren stärker belastet (siehe Abbildung 40 – Var.2). In der Schaltung gemäß Abbildung 38 wird das Ausschalten gegen Spannung jedoch vermieden (siehe Abbildung 40 –Var.1). Thyristorschalter thyristor switch C Freilaufdioden free wheeling diodes L R Kreisinduktivität circuit inductance Kreiswiderstand circuit resistance Last load Abbildung 38 Thyristorschalter mit Freilaufkreis am Kondensator Abb./Fig.32 Thyristorschalter mit Freilaufkreis am Kondensator 47 Technischer Erläuterungen - Bilder Thyristorschalter thyristor switch C Freilaufdioden free wheeling diodes L R Kreisinduktivität circuit inductance Kreiswiderstand circuit resistance Last load Technischer Erläuterungen - Bilder Abbildung 39 Thyristorschalter mit Freilaufkreis an der Last Abb./Fig.33 Thyristorschalter mit Freilaufkreis an der Last iT, vT iT, vT Var 1: Freilaufdiode am Kondensator iT Var 2 iT Var 2 iT Var 1iT Var 1 vTvVar 2 2 T Var vT Var v 1 T Var 1 t VRM >> 100V VRM >> 100V Abbildung 40 Strom- und Spannungsverlauf am Thyristor Abb./Fig.34 Stromverlauf durch den Thyristor in der Schaltung gemäß xx xx 48 Var 1: Freilaufdiode am wheeling Kondensator diode at capacitor free free wheeling diode at capacitor Var 2: Freilaufdiode an Last Var 2: Freilaufdiode an Last free wheeling free wheeling diode at load diode at load t 7. Schutz Thyristoren und Dioden müssen gegen zu hohe Ströme und Spannungen sowie gegen Störimpulse im Steuerkreis zuverlässig geschützt werden. 7.1 Überspannungsschutz Überspannungen innerhalb einer Anlage haben im Wesentlichen folgende Ursachen: n Innere Überspannungen durch das Trägheitsverhalten der Leistungshalbleiter. Äußere Überspannungen durch Schaltvorgänge im Netz und atmosphärische Einflüsse wie: - Schalten von Transformatoren ohne Last - Schalten induktiver Verbraucher - Abschalten von Sicherungen - Blitzeinschläge n Da Thyristoren und Dioden durch Überspannungen im Mikrosekunden-Bereich zerstört werden können, erfordert deren Überspannungsschutz besondere Sorgfalt. Bei der Bemessung geeigneter Beschaltungen ist das Sperrvermögen (VDRM, VRRM) sowie die kritische Spannungssteilheit (dv/dt)cr zu beachten. 7.1.1 Einzelbeschaltung (RC-Beschaltung) Beim Ausschalten unterbricht der Hauptstrom des Thyristors oder der Diode nicht im Nulldurchgang, sondern er fließt kurzzeitig - als Folge des Trägheitsverhaltens - in Rückwärtsrichtung als Sperrverzögerungsstrom weiter (Abbildung 23). Nach Erreichen der Rückstromspitze verursacht der mehr oder weniger steil abklingende Sperrverzögerungsstrom an den Induktivitäten des Hauptstromkreises eine Spannungsspitze, die sich der treibenden Spannung überlagert und somit den Halbleiter gefährden kann. Diese Überspannung lässt sich durch Einzelbeschaltung des Halbleiters mit einem RC-Reihenglied wirksam reduzieren. Zur Bemessung dieser Beschaltung ist es erforderlich, die wichtigsten Einflussgrößen zu kennen, wie z.B. Höhe iTM bzw. iFM und Abklingsteilheit -diT/dt bzw. –diF/dt des Durchlassstroms, Rückstromspitze IRM, Rückwärts-Sperrspannung vRM, periodische Rückwärts-Spitzensperrspannung VRRM der Halbleiter, sowie bei Thyristoren die kritische Spannungssteilheit (dv/dt)cr. In netzgeführten Stromrichtern können zur RC-Beschaltung von Thyristoren und Dioden bei normalen Betriebsverhältnissen RC-Reihenglieder nach Tabelle 2 unter folgenden Voraussetzungen eingesetzt werden: nKurzschlussspannung des Stromrichtertransformators uK ≥ 4%. Bei direktem Netzanschluss ist die Schutzdrossel entsprechend auszulegen. nSicherheitsfaktor zwischen der periodischen Spitzensperrspannung und dem Scheitelwert der Anschluss spannung ≥ 2,2. 49 Durchlassstrom ITAV, IFAV nominal voltage VN Anschlusspannung VN ≤230V ≤400V ≤500V ≤690V on-state current ITAV, IFAV ≤ 50 A ≤ 100 A ≤ 200 A ≤ 500 A ≤ 1000 A ≤ 2000 A C [µF] 0,22 0,33 0,68 1,5 3,3 6,8 R [Ω] 47 33 22 12 6,8 6,8 P[W] ≥5 ≥ 10 ≥ 15 ≥ 30 ≥ 70 ≥ 150 C [µF] 0,12 0,22 0,47 1,0 2,2 4,7 R [Ω] 82 56 33 22 15 12 P[W] ≥7 ≥ 15 ≥ 30 ≥ 70 ≥ 125 ≥ 300 C [µF] 0,10 0,18 0,39 0,82 1,8 3,3 R [Ω] 120 68 39 27 18 15 P[W] ≥ 10 ≥ 25 ≥ 50 ≥ 100 ≥ 200 ≥ 400 C [µF] 0,27 0,56 1,0 1,8 R [Ω] 47 33 22 22 P[W] ≥ 70 ≥ 125 ≥ 250 ≥ 500 Tabelle 2 RC-Reihenglieder zur Einzelbeschaltung bei Netzanwendungen Vor allem bei hoher Abklingsteilheit des Durchlassstroms oder bei geringem Sicherheitsfaktor hinsichtlich des Sperrvermögens sollten die vorangehend empfohlenen RC-Reihenglieder auf Eignung überprüft werden. Oftmals sind dann hierfür Kondensatoren mit größerer Kapazität sowie entsprechend angepasste Widerstände erforderlich. Der optimale Ersatzwiderstand für den günstigsten aperiodisch gedämpften Überspannungsverlauf ergibt sich wie folgt: C’ = Qr R' = (1,5...2) ⋅ VR * 2 L' C' Dabei sind R’ und C’ Ersatzgrößen der RC-Reihenglieder und L‘ ist die Ersatzgröße der Induktivität im Stromrichter. Schaltung R' C' L' M1 R C LS+LG M2 R C 2 LS B2 1 /2 R C LS M6 1 /2 R 2C 2 LS B6 3 /5 R 5 /3 C 2 LS Tabelle 3 Ersatzgrößen zu Stromrichterschaltungen R, C = Werte der RC-Beschaltung LS = Streuinduktivität des Stromrichtertransformators (eine Phase) LG = Induktivität der Glättungsdrossel 50 Bei Thyristoren ist ergänzend zu beachten, dass der Widerstand der RC-Beschaltung den Wert R' VDWM IT(RC)M haben muss, damit der Thyristor beim Einschalten nicht mit zu hohem Entladestrom aus der Beschaltung beansprucht wird (vgl. 3.4.1.2.3). Die Verlustleistung des Widerstands berechnet sich nach der Formel PR=k*VR2*C*f k = 2*10-6 bei ungesteuerten Gleichrichtern k = 4*10-6 in gesteuerten Ein- und Zweipulsschaltungen und in Wechstromstellern k = 6*10-6 in gesteuerten Drei- und Sechspulsschaltungen und in Drehstromstellern Dabei ist zu beachten, dass die Werte mit folgenden Einheiten in der Formel benutzt werden PR [W] VR [V] C [µF] f [Hz] Im Bedarfsfall können Modifikationen der Beschaltung nach Abbildung 41 zur Anwendung kommen, die eine ReduzieTechnischer Erläuterungen - Bilder rung der Überspannung und zugleich eine geringere Beanspruchung des Thyristors beim Einschalten ermöglichen. a b c Do R R C C Ro Co Do Re R C Ro Re Co Abbildung 41 Beispiele für erweiterte RC-Beschaltungen für Thyristoren Abb./Fig.35 Erweiterte TSE-Beschaltung a – mit bipolarem Überspannungsbegrenzer b – mit RCD-Kombination zur Dämpfung des Einschaltstroms c – mit RCD-Kombination zur Dämpfung von dv/dt und Sperrspannung in Vorwärtsrichtung Hinweis: Do = schnelle Diode besonders hinsichtlich Einschalten 51 Die RC-Beschaltung kann im Gleichrichterbetrieb bei vorhandener Transformatorbeschaltung (vgl. 7.1.3) zumeist entfallen, sofern Thyristoren mit einer kritischen Spannungssteilheit (dv/dt)cr ≥ 500 V/µs eingesetzt werden. Technischer Erläuterungen - Bilder 7.1.2 Eingangsbeschaltung für Stellerschaltungen In Wechsel- und Drehstromstellern werden Thyristoren in Antiparallelschaltung sowohl für Anschnittsteuerung als auch für Vollwellenbetrieb, z.B. in Softstartern eingesetzt. Die Anordnung der Beschaltung zeigt Abbildung 42. RB CB L N Abbildung 42 Eingangsbeschaltung für Wechselstromumrichter Die in Tabelle 2 empfohlenen Werte für RC-Reihenglieder gelten auch hier zur Beschaltung der Thyristoren bei normalen Betriebsverhältnissen sowie unter folgenden Voraussetzungen: Abb./Fig.36 Eingangsschutzbeschaltung für Wechselrichter n Induktiver Phasenwinkel zwischen Netzspannung und Strom ≤ 30°el (cos φ ≥ 0,866). Dadurch ist gewährleistet, dass der Anstoß einer eventuellen Schwingung, bedingt durch die Reihenschaltung von Beschaltungskondensatoren und Induktivitäten, unterdrückt wird. n S icherheitsfaktor zwischen der periodischen Spitzensperrspannung der Thyristoren und dem Scheitelwert der Anschlussspannung ≥ 2,2. n Kritische Spannungssteilheit der Thyristoren (dv/dt)cr ≥ 500 V/µs. Hinweis: Der in der Tabelle 2 angegebene Durchlassstrom ITAV ist hier mit hinreichender Genauigkeit als arithmetischer Mittelwert eines Thyristors in Einwegschaltung zu bewerten. Zur Bestimmung des Laststromes lässt sich daraus der Effektivwert ITRMS der einzelnen Thyristoren in Antiparallelschaltung und des Effektivwertes IRMS der Gesamtschaltung nach folgenden Gleichungen ermitteln: 52 IRMS ITRMS IAV ITAV ITRMS = ITAV ⋅ π IRMS = 2 ITAV ⋅ π 2 Abbildung 43 Berechnung der Ströme in einer Stellerschaltung Für Hochleistungshalbleiter und lichtzündbare Thyristoren, die in Großanlagen eingesetzt werden, ist es üblich, die Beschaltung entsprechend der Kreisparameter und des eingesetzten Halbleitertyps zu optimieren. Dabei kann die Betrachtung der Spannungssteilheit entfallen, weil die kritische Spannungssteilheit dieser Thyristoren deutlich über den o.a. Kriterien liegt. Pauschale Beschaltungsempfehlungen sind deshalb nicht sinnvoll. 7.1.3 Eingangsbeschaltung netzgeführter Stromrichter Energiereiche Überspannungen aus dem Netz oder durch Schalten von Stromrichtertransformatoren, bzw. entsprechender Schutzdrosseln generierte energiereiche Überspannungen werden zweckmäßigerweise durch Summenbeschaltungen gedämpft. Bei Stromrichtern mit Thyristoren oder Dioden werden sie auf der Wechselstromseite angeordnet und bestehen aus Hilfsgleichrichtern mit Dioden und Schutzkondensatoren mit Entladewiderständen. Diese Entladewiderstände sind notwendig, weil die Diodenbrücke die Entladung der Beschaltungskapazität verhindert. Sie müssen demnach so ausgelegt sein, dass diese Kapazität innerhalb einer Periode entladen wird Technischer Erläuterungen - Bilder (siehe Abbildung 44 und Tabelle 4 ). ~ ~ R1 + – ~ C1 ~ ~ R1 R1 R1 R2 + C1 R2 – Abb./Fig.37 Summenschutzbeschaltung auf der Wechselstromseite eines Gleichrichters Abbildung 44 Summenbeschaltung auf der Wechselstromseite eines gesteuerten Gleichrichters 53 stack output current IDC supply voltage VN Satzausgangsstrom IDC circuit B6C Anschlussspannung VN Schaltung B6C = 500V = 200A = 1000A = 2500A R1 [Ω] 6,8 3,9 1,8 1 C1 [µF] 6,8 10 22 33 R2 [Ω] 15 12 4,7 3,3 P2 [W] 32 40 104 150 Satzausgangsstrom IDC Schaltung B6C stack current IDC supply voltage VN Anschlussspannung VN circuit B6C = 690V = 200A = 750A = 1500A = 3000A = 4000A R1 [Ω] 22 8,2 3,9 2,7 1,8 C1 [µF] 2,2 4,7 10 15 22 R2 [Ω] 47 22 12 6,8 4,7 P2 [W] 20 43 78 140 201 Satzausgangsstrom IDC Schaltung B6C stack current IDC supply voltage VN circuit B6C Anschlussspannung VN = 5000A = 1000V = 500A = 1000A = 2000A = 3000A R1 [Ω] 18 8,2 5,6 3,9 C1 [µF] 2,2 4,7 6,8 10 R2 [Ω] 47 22 15 12 P2 [W] 42 90 133 166 Tabelle 4 Komponenten für Summenbeschaltung auf der Wechselstromseite einer gesteuerten Drehstrombrücke Die zusätzliche Einzelbeschaltung aller Thyristoren und Dioden sowohl im Stromrichter als auch im Hilfsgleichrichter ist in der Regel nicht notwendig, weil die Summenbeschaltung zugleich auch als RCBeschaltung arbeitet. Ausgenommen sind hier einige Doppelstromrichterschaltungen wie z.B. zwei antiparallel geschaltete Drehstrombrücken. Bei der Bemessung der Summenbeschaltung ist zu berücksichtigen: n Vorwiderstand R1 soll das Auftreten eventueller Schwingungen beim Schalten des Stromrichtertransformators verhindern. Zugleich begrenzt er den vom Schutzkondensator verursachten Ladestromstoß durch die Dioden des Hilfsgleichrichters beim Einschalten und bei Überspannungsbeanspruchung. n S chutzkondensator C1 muss die beim Abschalten des Stromrichtertransformators oder einer entsprechenden Schutzdrossel freiwerdende Energie - abzüglich der im Lichtbogen des Schalters auftretenden Verluste - aufnehmen können, ohne dass die Spannung die höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung der zu schützenden Thyristoren oder 54 Dioden übersteigt. n E ntladewiderstand R2 ist nach praktischen Erfahrungen ausreichend bemessen, wenn die zum Abbau aufeinander folgender Überspannungsenergien maßgebende Entladezeitkonstante τ = R2˙ C1 = 80 ms beträgt. n H ilfsgleichrichter-Dioden Bei ihrer Auswahl ist neben der erforderlichen Sperrfähigkeit auch der zulässige Stoßstrom im Verhältnis zum Ladestromstoß des Schutzkondensators zu beachten. Wegen der als Folge von Überspannung nur kurzzeitig und zumeist in größeren Abständen auftretenden Strombeanspruchung der Dioden ist auch deren Verlustleistung gering. Folglich kann in der Regel auf Kühlkörper verzichtet werden. 7.1.4 Zusätzliche Schutzmöglichkeiten gegen energiereiche Überspannungen RLC – Filter bestehend aus der Streuinduktivität des Stromrichtertransformators, oder der Induktivität der Kommutierungdrosseln und im Sternpunkt geerdeten RC Gliedern. Es ist insgesamt zur Dämpfung von transienten Überspannungen mit kurzer Halbwertdauer bei geringem Energieinhalt geeignet, weil mit Rücksicht auf den Entladestrom der Kondensatoren die Widerstände nicht zu klein gewählt werden dürfen. Außerdem ist, wegen der auftretenden Verluste, die Höhe der Kapazitäten begrenzt (siehe Abbildung 45). Funkenstreckenableiter können eingesetzt werden, wenn aus dem Netz sehr energiereiche Überspannungen zu erwarten sind. Auf Grund ihres Trägheitsverhaltens nach Erreichen der Ansprechspannung sind in der Regel zusätzliche Schutzeinrichtungen gegen Überspannungen notwendig (siehe Abbildung 45). Gleichstromseitige Beschaltung Von der Lastseite kommende Überspannungen können mittels gleichstromseitiger Beschaltung gedämpft werden (siehe Abbildung 45). Statt mittels RC Gliedern können auch spannungsabhängige Widerstände wie Metalloxidvaristoren eingesetzt werden. Dabei ist einerseits zu beachten, dass Varistoren generell nicht geeignet sind periodische Überspannungen zu begrenzen, da sie sonst thermisch instabil werden und einer starken Alterung unterliegen. Andererseits ist zu 55 Technischer Erläuterungen - Bilder L1 L2 L3 Funkenstrecke spark gap L MO-Varistor RLC-Filter DC-seitiger Filter DC side filter Abbildung 45 Zusätzliche Schutzmöglichkeiten gegen energiereiche Überspannungen Abb./Fig.38 Zusätzliche Schutzmöglichkeiten gegen energiereiche Überspannungen beachten, dass der Schutz gegen energiereiche Überspannungen (meist Funkenstreckenableiter) nicht durch falsch koordinierte Varistorableiter unterlaufen wird. 7.2 Überstromschutz Thyristoren und Dioden sind mit hohen Dauerströmen belastbar, können aber durch Überströme zerstört werden und erfordern daher angepasste Schutzmaßnahmen. Die Auswahl geeigneter Schutzeinrichtungen richtet sich nach der Art des Überstromes. Grundsätzlich werden Kurzzeitschutz und Langzeitschutz unterschieden. 7.2.1 Kurzzeitschutz mittels superflinker Halbleitersicherungen Der Kurzzeitschutz begrenzt den durch Kurzschluss hervorgerufenen Überstrom auf einen für die Thyristoren oder Dioden ungefährlichen Wert im Zeitbereich bis zu einer Sinushalbschwingung und wird durch spezielle Halbleitersicherungen mit superflinker Abschaltcharakteristik erreicht. Diese nutzen beim Abschalten im ungünstigsten Fall das im Datenblatt für den jeweiligen Typ angegebene Grenzlastintegral aus. Die Halbleiter verlieren bei Beanspruchung mit dem Grenzlastintegral ihre Sperr- und Blockierfähigkeit ganz oder teilweise bis die Sperrschichttemperatur in den zulässigen Bereich für Dauerbetrieb abgesunken ist. Sie darf deshalb frühestens nach einigen Sekunden wiederholt werden und sollte nur gelegentlich mit begrenzter Pulszahl während der gesamten Betriebsdauer des Stromrichters auftreten. (vgl. 3.1.16). 7.2.1.1 Auswahl von Sicherungen 56 Die Sicherungen können wahlweise im Strang oder Zweig angeordnet werden. Dabei ermöglicht die Zweigsicherung den sichersten Kurzzeitschutz und erlaubt die höchste Strombelastbarkeit der Thyristoren oder Dioden. Der Aufbau mit Strangsicherungen reduziert den Aufwand, aber bei eventuellem Rückspeisen von Energie aus einer Last mit Gegenspannung muss eine zusätzliche Sicherung im Ausgang des Stromrichters eingesetzt werden, da ein von der Last in den Zwischenkreis rückgespeister Kurzschlussstrom von den Strangsicherungen nicht erfasst wird. Das Parallelschalten von zwei Sicherungen ist bei einigen Thyristoren oder Dioden mit hoher Strombelastbarkeit erforderlich. Bei der Auswahl der Sicherung ist folgendes zu beachten: n Sicherungsnennspannung Sie muss höher als die den Kurzschlussstrom treibende Spannung gewählt werden. n S pannung, die den Kurzschlussstrom treibt: Sie ist zumeist gleich der Anschlussspannung; nur bei Wechselrichterbetrieb erreicht sie den 1,8fachen Wert der Anschlussspannung. VRMS = VKRMS N * Fs n W iederkehrende Spannung VRMS Sie ergibt sich aus der den Kurzschlussstrom treibenden Spannung VKRMS, dividiert durch die Anzahl N der im Kurzschlusskreis in Reihe liegenden Sicherungen, multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor Fs = 1,3. Es gilt somit: z.B. bei B2 und B6-Schaltungen VRMS = ½ *1,3*VKRMS = 0,65*VKRMS n L ichtbogenspannung n Während des Löschvorganges verursacht die Sicherung eine, von der Bauart des Sicherungseinsatzes und der wiederkehrenden Spannung abhängige, Lichtbogenspannung (Schaltspannung). Diese Spannungsspitzen dürfen die Stoßspitzenspannung der Halbleiter nicht übersteigen um sperrende Bauelemente im Kreis nicht zu gefährden. S icherungsnennstrom: Er bezieht sich in der Regel auf sinusförmigen Wechselstrom und liegt bei abweichender Stromform über oder unterhalb des angegebenen Wertes. Der Nennstrom der Sicherung sollte mit gewissem Abstand höher als der zu erwartende Strang- bzw. Zweigstrom gewählt werden. n Ausschalt-∫ i²t-Wert Er ist die Summe aus Schmelz- und Löschintegral und muss unterhalb des Grenzlastintegrals des Thyristors liegen. 57 iT,F Schmelzintegral melting integral Löschintegral arc integral t tP ≈ 3-5 ms Abbildung 46 Abschaltcharakteristik superflinker Sicherungen Schaltung circuit + π Ud M1 Id I2 U1 I1 Zweigstrom arm current RMS 2 Id ( AV ) = 1,57 Id ( AV ) 4 Id ( AV ) = 0,79 Id ( AV ) 4 Id( AV ) = 0,79 Id( AV ) Strangstrom phase current RMS + Ud Id I1 + I2 π Ud U2 U1 B2 π U2 M2 Abb./Fig.39 Abschaltcharakteristik superflinker Sicherungen Id I2 U1 I1 π 2 2 Id ( AV ) = 1,11 Id ( AV ) U2 U1 I1 sqrt(2) I2 M6 1 + 3 Id( AV ) = 0,58 Id( AV ) Ud Id U2 U1 Id I2 1 Ud U v2 B6 + 3 Id( AV ) = 0,58 Id( AV ) - ITRMS ITAV 1 U2 U1 I1 W1C, W3C 2 Id ( AV ) = 0,71 IPhase ( R M S ) idealisierte Betrachtung für Widerstandslast und Vollaussteuerung ideal view for resistive load and full conduction Tabelle 5 Ermittlung von Zweig- und Strangströmen 58 2 3 Id ( AV ) = 0,82 Id( AV ) Während des Anstieges des Kurzschlussstromes schmilzt zunächst der Sicherungseinsatz. Der dadurch entstehende Lichtbogen wird anschließend durch das ihn umgebende Füllmittel, in der Regel Quarzsand, gelöscht. Die Sicherungen schalten innerhalb 3 bis 5 ms (siehe Abbildung 46) Der Effektivwert von Zweig- oder Strangstrom kann aus dem Ausgangsstrom verschiedener Stromrichterschaltungen mit den Formeln von Tabelle 5 ermittelt werden. Diese Faktoren gelten für Widerstandslast und Vollaussteuerung 7.2.2 W eitere Schutzkonzepte Kurzzeitschutz von Hochleistungshalbleitern 7.2.2.1 Gleichstromschnellschalter mit elektrodynamischer Auslösung schalten bei Kurzschlüssen innerhalb weniger Millisekunden ab. Wegen der hohen Kosten werden sie aber nur selten eingesetzt. 7.2.2.2 Elektronischer Kurzschließer (Crowbar) werden im Wesentlichen in U-Umrichtern mit abschaltbaren Halbleitern (IGBT, GTO, IGCT) angewendet. Übersteigt die Zwischenkreisspannung einen definierten Schutzlevel, wird der Crowbar gezündet und entlädt die Zwischenkreiskapazität. Der umschwingende Stoßstrom wird dabei entweder über eine spezielle Umschwingdiode, oder über die Freilaufdioden in den Wechselrichterzweigen geführt 7.2.2.3 Netzseitiger Leistungsschalter Die Halbleiter müssen den Kurzschlussstrom solange führen bis der Leistungsschalter das Netz wegschaltet. Bei Großanlagen geschieht das nach 3 bis 5 Halbwellen. 7.2.2.4 Sperren der Zündimpulse (Gittersperre) Sie unterdrückt bei Überschreiten eines definierten Auslösewertes die Zündimpulse für Thyristoren. Diese werden dann mit einer Stromhalbwelle mit nachfolgender negativer und positiver Sperrspannung beansprucht. Das setzt voraus, dass noch ausreichende Sperr– und Blockierfähigkeit der Halbleiter vorhanden ist. 7.2.3 Langzeitschutz Er lässt sich durch geeignete thermische und magnetische Überstromauslöser oder auch durch Sicherungen erreichen. Die Auslösekennlinien entsprechender Schutzeinrichtungen sollen hierbei unterhalb des Überstroms bei Kurzzeitbetrieb liegen. Die Sperrfähigkeit der Thyristoren oder Dioden bleibt somit voll erhalten. Der Langzeitschutz kann bei Thyristoren daher z.B. auch durch Sperren der Zündimpulse (Gittersperre) vorgenommen werden. Wenn die volle Sperrfähigkeit nicht erforderlich ist, kann die Auslösekennlinie auf die Grenzstromkennlinie nach Abschnitt 3.1.14 eingestellt werden. 7.2.4 Voll angepasster Schutz Er besteht aus Langzeit- und Kurzzeitschutz und wird praktisch nur durch eine Kombination mehrerer Schutzeinrichtungen erreicht. 59 7.3 D ynamische Strombegrenzung durch Induktivitäten im Hauptkreis Bei geringer Induktivität im Hauptkreis kann beim Einschalten eines Thyristors eine zu hohe Stromsteilheit auftreten. Um Zerstörungen zu vermeiden, ist das Einfügen zusätzlicher Induktivitäten LZ notwendig, die eine Reduzierung der Einschaltstromsteilheit bewirken (siehe Abbildung 47). Diese Maßnahme reduziert zugleich die Einschaltverlustleistung. Im Fall linearer Induktivitäten wird während des Stromanstiegs die Stromdichte in der sich ausbreitenden gezündeten Siliziumfläche reduziert. Bei sättigbaren Induktivitäten tritt die hohe Stromsteilheit erst nach der Stufenzeit tSt (siehe Abbildung 47) auf, wenn schon eine größere Fläche der Siliziumscheibe an der Stromführung beteiligt ist. Der Stufenstrom iTSt (siehe Abbildung 47) sollte am Anfang der Stufenzeit etwa dem periodischen Einschaltstrom IT(RC)M (siehe 3.4.1.2.3) entsprechen. Falls der Stufenstrom kleiner ist, so kann er durch einen parallel zur Induktivität geschalteten Widerstand Rp erhöht werden. Liegt zum Zeitpunkt 0 eine Spannung V0 an, ergibt sich der Strom iRSt wie folgt: iRSt = V0 Rp Technischer Erläuterungen - Bilder ITM iT L R a Lz diT/dtcrit b vC a: ohne zusätzlicher Induktivität without additional inductance c C iT, vT A K G Steuergenerator gate trigger generator b: mit linearer Induktivität Lz with linear inductance Lz c: mit sättigbarer Induktivität Lz with saturable inductance Lz iSt ≤ iT(RC)M tSt t Abbildung 47 S chematischer Verlauf des Einschaltstroms von Thyristoren mit verschiedenen Vorinduktivitäten a: maximal zulässiger Bereich Abb./Fig.40 Schutzbeschaltung zur Begrenzung der Einschaltstromsteilheit b: unzulässiger Betrieb ohne Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit c: zulässiger Betrieb mit linearer Reiheninduktivität im Hauptkreis d: zulässiger Betrieb mit sättigbarer Reiheninduktivität (Stufendrossel) im Hauptkreis 60 7.4 Störimpulse im Steuerkreis reduzieren In Stromrichtern treten steile Strom- und Spannungsänderungen im Hauptstromkreis auf. Dabei besteht die Gefahr, dass am Steueranschluss von Thyristoren - als Folge induktiver oder kapazitiver Einstreuungen auf Steuerleitungen und Steuerelektronik - Störimpulse erzeugt werden. Somit können die Thyristoren ungewollt einschalten und eine Betriebsstörung der Anlage verursachen. Technischer Erläuterungen - Bilder Übliche Maßnahmen zur Reduzierung der Einstreuung und Vermeidung der Störimpulse sind Verdrillen und ggf. Verkürzen der Steuerleitungen, sowie verbesserte Abschirmung, auch von Zündübertrager und ggf. Steuerelektronik. Ergänzend kann eine Beschaltung der Steuerstrecke erfolgen (siehe Abbildung 48). A + vL = – DX < 300mm G Steuerelektronik control circuit RX CX HK K Abb./Fig.41 Prinzipielle Schutzbeschaltung der Steuerstrecke Abbildung 48 Beispiel zur Beschaltung der Steuerstrecke von Thyristoren Für Standard Netz-Thyristoren wird hierzu empfohlen: nCx = 10...47 nF nRx entsprechend τX = RxCx = 10.. .20 µs nDx schnelle Diode Der Entladewiderstand Rx darf nicht fehlen, weil sich sonst einige Daten der Thyristoren verschlechtern können, z.B. die kritische Spannungssteilheit (dv/dt)cr. Falls die Beschaltung den Verlauf des Steuerstroms nachteilig beeinflusst, so ist dies bei der Bemessung des Steuergenerators zu berücksichtigen (vgl. 3.3.1.8). 61 8. Montage Die sachgerechte und sorgfältige Montage von Halbleitern ist eine wesentliche Voraussetzung für zuverlässigen und störungsfreien Betrieb, weil damit sowohl der thermische als auch der elektrische Kontakt hergestellt wird. 8.1 Scheibengehäuse 8.1.1 Montage von Scheibenzellen Infineon bietet eine Vielzahl von Kühlkörpern und Sätze an. Diese sind in ihrem Design auf die Halbleiterbauelemente von Infineon abgestimmt. Für viele dieser Kühler sind detaillierte thermische Daten auf Anfrage verfügbar. Da einige Scheibenzellenkühler aufwändig zu spannen sind, wird empfohlen, die Bauelemente und den Kühlkörper in diesem Fall als vollständigen Satz von Infineon zu beziehen. Mit dem Einbau der Bauelemente in Kühlkörper oder der Kontaktierung mit Spannkappen wird sowohl der thermische als auch der elektrische Kontakt hergestellt. Nachstehende Angaben sollten daher unbedingt beachtet werden: n Die Kontaktflächen von Scheibenzellen und Kühlkörpern sowie die Isolation dürfen nicht beschädigt werden und müssen frei von Ablagerungen sein. n I m Kontaktbereich von Scheibenzellen und Kühlkörpern sollte die Ebenheit und die Rautiefe Rz des Kühlkörpers 10µm nicht überschreiten. n D ie Kontaktflächen sollten vor der Montage mit einer geeigneten elektrisch leitenden Wärmeleitpaste (z.B. Klüber Wolfracoat C) ca. 50µm – 100µm, je nach Beschaffenheit der Kontaktflächen des Kühlers, versehen werden. Ist zwischen Scheibenzelle und Kühlkörper eine Anschlusslasche angeordnet, dann sollte diese ebenfalls behandelt werden. Typische Anordnungen sind in Abbildung 49 und Abbildung 50 skizziert. 62 Technischer Technischer Erläuterungen Erläuterungen - Bilder- Bilder Technischer Erläuterungen - Bilder Abbildung 49 Typische Spannvorrichtungen für Scheibenzellen Abb./Fig.42 Typische Abb./Fig.42 Spannvorrichtungen Typische Spannvorrichtungen für Scheibenzellen für Scheibenzellen Abbildung 50 Typischer Aufbau mit Spannvorrichtung V176 für Scheibenzellen n D ie ausreichende Steifigkeit der zu verspannenden Teile ist sicherzustellen, damit bei den erforderlichen Anpresskräften die Kühlkörper-Kontaktflächen nicht verbogen werden und eine homogene Druckverteilung erreicht wird (siehe Abbildung 49 und Abbildung 50). Die Durchbiegung darf den Wert von 0,3µm pro mm Kontaktflächen-Ø D im gespannten Zustand nicht überschreiten. ( Beispiel : Kontaktfläche Ø 80 x 0,3µm/mm = 24µm max. Durchbiegung) n M ax. 0,5% der Oberfläche jeder Kontaktfläche darf eine Vertiefung größer als die spezifizierte Rauigkeit aufweisen. Die Nickelschicht der Scheibenzelle darf jedoch nicht beschädigt sein. n D imensionierungsvorschlag (siehe rechte Seite der Abbildung 49 und Abbildung 50): Die Höhe des Druckverteilstückes ist mit h = 0,4D auszulegen. Die Krafteinleitung ist mit dem Ø d =0,4D vorzunehmen. Für das Druckverteilstück empfehlen wir die Verwendung von Stahl (z.B. X20Cr14 konform zu EN10099). 63 n S ollte nicht anderweitig zentriert werden, ist bei der Montage der Bauelemente darauf zu achten, dass Zentrierbohrungen und Spannstifte in den Kühlkörperhälften vorgesehen sind. Außerdem ist zu beachten, dass die Kontaktfläche des Halbleiters vollständig kontaktiert ist, das heißt, dass die Auflagefläche des Kühlers/Stromschiene mindestens dem Kontaktdurchmesser des Halbleiters entsprechen muss. n B ei der Auswahl der Spannstifte ist auf den korrekten Durchmesser und vor allem auf die korrekte Länge zu achten. Da die Kontakte der Halbleiter aus sehr duktilem (leicht verformbarem) Kupfer gefertigt sind, können sich zu lange Spannstifte bis zum Halbleiter durchdrücken und ihn beschädigen. n B ei der Montage und auch Demontage müssen die Schrauben abwechselnd über Kreuz mit kleinem Winkel festgezogen oder gelöst werden um eine Beschädigung der Scheibenzelle zu vermeiden. n B ei einseitiger Kühlung von Scheibenzellen muss die Montage mit geeigneten Spann- vorrichtungen, wie z.B. des Typs V50, V61 und V72) erfolgen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Befestigungsschrauben in mehreren Schritten wechselseitig angezogen werden. Bei den angeführten Typen stellt sich die erforderliche Anpresskraft dann ein, wenn die Spannvorrichtung auf der Befestigungsfläche aufliegt. n B ei Verwendung von Spannvorrichtungen mit stromführenden Mittelbolzen, z.B. V50M, V61M und V72M, sind die für deren Gewinde vorgesehenen max. Anzugsdrehmomente zu beachten. Abbildung 51 zeigt die typische Abhängigkeit des Wärmewiderstandes RthJC von Scheibenzellen von der Anpresskraft. 1,5 1,4 RthJC nominal = RthJC(Fmin) RthJC / RthJC nominal 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,25 0,50 0,75 1,00 F / Fmin Abbildung 51 Typische Abhängigkeit des RthJC von der Anpresskraft F 64 1,25 1,50 n W ie dargestellt bewirkt eine zu niedrige Anpresskraft die Erhöhung des Wärmewiderstandes, was zur Reduzierung der Strombelastbarkeit der Halbleiter führt. Außerdem erhöht sich die Durchlassspannung, und auch das Stoßstromverhalten kann sich nachteilig verändern. Eine starke Reduktion der Anpresskraft kann zudem eine Verschlechterung der thermischen Wechsellastfähigkeit zur Folge haben. n E ine zu hohe Anpresskraft kann zur Alterung und Beschädigung der inneren Kontakte (Metallisierung) von Scheibenzellen führen, was die thermische Wechsellastfähigkeit erheblich reduzieren kann. Besteht die Absicht, Scheibenbauelemente deutlich über der in den Datenblättern angegebenen Obergrenze der Anpresskraft zu drücken, empfiehlt sich die Rückfrage bei Infineon. n D ie Spannkraft sollte deshalb so gewählt werden, dass dieses im oberen Drittel des angegeben Kraftbereichs liegt. Hierdurch soll sichergestellt werden das auch bei minimalen Dehnungs- und Stauchungsprozessen bei den eingesetzten Materialien die minimale Kraft nicht unterschritten wird n F ür Spannungsprüfungen müssen Scheibenbauelemente mit mindestens 10% des minimalen Nenndrucks oder 1 kN kontaktiert werden (der jeweils niedrigere Wert ist ausreichend), damit ein sicherer Kontakt zwischen Element und Kontaktstücken der Kapsel hergestellt wird. n F ür Prüfungen mit Lastströmen ist mindestens die minimale Anpresskraft einzustellen, da die Datenblattangaben nur für den spezifizierten Anpresskraftbereich gelten. n Korrekte Messungen im nicht gedrückten Zustand sind grundsätzlich nicht möglich. n B ei den Medium Power Keramik Gehäusen mit Multi-use Gate, empfehlen wird für den Gate-Anschluss die Verwendung des Flachsteckers 65 8.1.2 Anordnung der Kühlkörper Der Einbau von Scheibenzellen in Kühlkörpern für verstärkte Luftkühlung (F) und Wasserkühlung (W) kann in beliebiger Lage erfolgen, sofern die Kühlmittelmengen eingehalten werden. Bei Luftselbstkühlung (S) sind die Kühlkörper so anzuordnen, dass die Kühlrippen senkrecht stehen, damit die Kühlluft ungehindert durchströmen kann. Die Kühlkörper sind mit ausreichendem Abstand vom Boden oder anderen Geräten zu montieren. Werden mehrere Kühlkörper übereinander angebracht, so ist vor allem bei Luftselbstkühlung auf genügend großen Zwischenraum zu achten, damit gegenseitige Erwärmung vermieden wird. Gegebenenfalls muss für die oberhalb liegenden Kühlkörper eine erhöhte Kühlmitteltemperatur berücksichtigt werden. Werden mehrere Bauelemente in einem Satz verbaut, sind folgende Punkte zu beachten: n Bei Reihenschaltung mehrerer Bauelemente kann ein Vielfaches der Sperrspannung des einzelnen Bauelements erreicht werden. Das ist bei der Auslegung der Isolation des Spannverbands unbedingt zu berücksichtigen. n B ei der Parallelschaltung von mehreren Bauelementen nebeneinander ist ein Spannen der Bauteile zwischen zwei durchgehenden Kühlerhälften unzulässig. Die Höhentoleranzen der Bauelemente verhindern dabei eine homogene Krafteinleitung. Vielmehr sollte eine Kühlerhälfte mechanisch unterbrochen sein, damit die Spannsysteme voneinander unabhängig mechanisch arbeiten können. n W erden getrennte Stromlaschen in einem Stack verbunden, ist darauf zu achten, dass bei der Montage keine unzulässigen Kräfte auf das Spannsystem ausgeübt werden. n W erden Scheibenzellen mit Kühlkörpern von anderen Geräten oder Bauteilen wie z.B. Sicherungen oder Transformatoren aufgeheizt, so ist ihre Belastung entsprechend zu reduzieren. n Die Kühlkörper stehen unter Spannung und sind deshalb isoliert zu montieren. 8.1.3 Anschluss von Stromzuführungen Hier ist zu beachten, dass: n keine zusätzlichen Zug- u. Druckkräfte auf die Scheibenzellen wirken. n auftretende mechanische Schwingungen keinen Erd- oder Kurzschluss verursachen. n d as zusätzliche Aufheizen der Scheibenzellen über stromführende Teile, speziell auch durch direkt vorgeschaltete Sicherungen, konstruktiv vermieden wird. 66 8.1.4 Anschluss der Steuerleitungen Hier ist darauf zu achten, dass: n Verbiegen oder Anbrechen der Steueranschlüsse durch unsachgemäße Montage ausgeschlossen ist. n Kontaktsicherheit der Steckverbindung bestehen muss. n d ie Steuerleitungen EMV-gerecht verlegt werden und eventuelle Gate-Schutzbeschaltungen in ausreichender Nähe der Halbleiter installiert werden. n d ie Isolationskoordination zwischen Steuer- und Lastkreis korrekt durchgeführt wird. Das gilt insbesondere für durch Zündübertrager galvanisch getrennte Ansteuerung. 8.2 Schraubsockelgehäuse 8.2.1 Montage von Schraubsockelgehäusen Bauelemente mit Schraubsockelgehäuse werden mit einem Drehmomentschlüssel eingeschraubt, der radial zum Gehäuse stehen muss, damit die Keramikisolation nicht beschädigt wird. Das in den Einzeldatenblättern angegebene Anzugsdrehmoment muss mit einer Toleranz von +10%/-20% eingehalten werden. Bei beschädigten Gewinden oder nicht ausreichend tiefen Gewindebohrungen kann das Anzugsdrehmoment erreicht werden, ohne dass sich die Kontaktflächen berühren. Der Wärmeübergang erfolgt dann nur über das Gewinde, was zur thermischen Überlastung des Bauelementes führen kann. Nachstehende Angaben müssen dabei unbedingt beachtet werden: n D ie Kontaktflächen von Schraubsockelgehäusen und Kühlkörpern sowie die Isolation dürfen nicht beschädigt werden und müssen frei von Ablagerungen sein. n I m Kontaktbereich von Schraubsockelgehäusen und Kühlkörpern sollte die Abweichung von der Ebenheit 10µm, sowie die Rautiefe Rz des Kühlkörpers 10µm bei Schraubsockelgehäusen nicht überschreiten. n D ie Kontaktflächen sollten vor der Montage mit einer geeigneten elektrisch leitenden Wärmeleitpaste (z.B. Klüber Wolfracoat C), ca. 50-100µm dick, versehen werden. Ist zwischen Schraubsockelgehäuse und Kühlkörper eine Anschlusslasche angeordnet, dann sollte diese ebenfalls behandelt werden. 8.2.2 Anordnung der Kühlkörper Der Einbau von Bauelementen mit Schraubsockelgehäusen mit Kühlkörpern für verstärkte Luftkühlung (F) kann in beliebiger Lage erfolgen, sofern die erforderlichen Kühlmittelmengen eingehalten werden. Bei Luftselbstkühlung (S) sind die Kühlkörper so anzuordnen, dass die Kühlrippen senkrecht stehen, damit die Kühlluft ungehindert durchströmen kann. 67 Die Kühlkörper sind mit ausreichendem Abstand vom Boden oder anderen Geräten zu montieren. Werden mehrere Kühlkörper übereinander angebracht, so ist vor allem bei Luftselbstkühlung auf genügend großen Zwischenraum zu achten, damit gegenseitige Erwärmung vermieden wird. Gegebenenfalls muss für die oberhalb liegenden Kühlkörper eine erhöhte Kühlmitteltemperatur berücksichtigt werden. Werden die Bauelemente mit Kühlkörpern von anderen Geräten oder Bauteilen, wie z.B. Transformatoren aufgeheizt, so ist ihre Belastung entsprechend zu reduzieren. Die Kühlkörper stehen elektrisch unter Spannung und sind deshalb isoliert zu montieren. 8.2.3 Anschluss von Stromzuführungen Hier ist zu beachten, dass: n keine zusätzlichen Zug- u. Druckkräfte auf die Bauelemente wirken. n bei Auftreten mechanischer Schwingungen kein Erd- oder Kurzschluss verursacht wird. n d as zusätzliche Aufheizen der Halbleiter über stromführende Teile, speziell auch durch direkt vorgeschaltete Sicherungen, konstruktiv vermieden wird. n d ie Abbiegehöhen der flexiblen Stromzuführungen (von Schraubsockel- oder Flachbodengehäusen) nicht unterschritten werden. 8.2.4 Anschluss der Steuerleitungen Siehe hierzu Punkt 8.1.4 8.3 Flachbodengehäuse 8.3.1 Montage von Flachbodengehäusen Die notwendige Anpresskraft wird über die mitgelieferte Spannplatte aufgebracht. Bei Verwendung von Kupfer- oder Aluminium-Kühlkörpern soll die Länge der 4 Schrauben so bemessen sein, dass die Einschraubtiefe mind. 50% größer als der Schraubendurchmesser ist. Die einwandfreie Anpresskraft wird dann erreicht, wenn die Befestigungsschrauben in mehreren Schritten wechselweise so weit angezogen werden, bis die Spannplatte parallel zur Auflagefläche liegt. Nachstehende Angaben sollten dabei unbedingt beachtet werden: n Die Kontaktflächen von Flachbodengehäusen und Kühlkörpern sowie die Isolation dürfen nicht beschädigt werden und müssen frei von Ablagerungen sein. 68 n I m Kontaktbereich von Flachbodengehäusen und Kühlkörpern sollte die Abweichung von der Ebenheit 10µm, sowie die Rauhtiefe Rz des Kühlkörpers 10µm bei Flachbodengehäusen nicht überschreiten. n D ie Kontaktflächen sollten vor der Montage mit einer geeigneten elektrisch leitenden Wärmeleitpaste (z.B. Klüber Wolfracoat C), ca. 50-100µm dick, versehen werden. Ist zwischen Flachbodengehäuse und Kühlkörper eine Anschlusslasche angeordnet, dann sollte diese ebenfalls behandelt werden. 8.3.2 Anordnung der Kühlkörper siehe dazu Punkt 8.2.2 8.3.3 Anschluss von Stromzuführungen siehe dazu 8.2.3 8.3.4 Anschluss der Steuerleitungen siehe hierzu Punkt 8.1.4 8.4 PowerBLOCK-Module 8.4.1 Montage der PowerBLOCK-Module Die Kontaktflächen des Moduls und des Kühlkörpers müssen frei von Beschädigungen und Verunreinigungen sein. Die Kontaktfläche des Kühlkörpers darf eine Ebenheit und eine Rautiefe Rz von 10µm nicht überschreiten. Die Bodenplatte des Moduls sollte vor der Montage mit einer geeigneten Wärmeleitpaste (z.B. DOW CORNING DC340) ca. 50µm – 100µm, je nach Beschaffenheit der Kontaktflächen des Kühlers versehen werden. Max. 0,5% der Oberfläche der Kontaktfläche darf eine Vertiefung größer als die spezifizierte Rauigkeit aufweisen. Die Nickelschicht des Modulgehäusebodens darf jedoch nicht beschädigt sein. Alle Befestigungsschrauben sind gleichmäßig mit dem vorgeschriebenen Drehmoment anzuziehen. 8.4.2 Anordnung der Kühlkörper Der Einbau von PowerBLOCK-Modulen mit Kühlkörpern für verstärkte Luftkühlung (F) und Wasserkühlung (W) kann in beliebiger Lage erfolgen, sofern die erforderlichen Kühlmittelmengen eingehalten werden. Bei Luftselbstkühlung (S) sind die Kühlkörper so anzuordnen, dass die Kühlrippen senkrecht stehen, damit die Kühlluft ungehindert durchströmen kann. Die Kühlkörper sind mit ausreichendem Abstand vom Boden oder anderen Geräten zu montieren. Werden mehrere Kühlkörper übereinander angebracht, so ist vor allem bei Luftselbstkühlung auf genügend großen Zwischenraum zu achten, damit gegenseitige Erwärmung vermieden wird. Gegebenenfalls muss für die oberhalb liegenden Kühlkörper eine erhöhte Kühlmitteltemperatur berücksichtigt werden. Bei Reihenschaltung mehrerer Module auf einem gemeinsamen Kühlkörper ist die ausgewiesene Isolationsspannung in der Regel nicht mehr ausreichend. Dieser Aufbau wird von Infineon nicht empfohlen. Werden Module mit Kühlkörpern von anderen Geräten oder Bauteilen, wie z.B. Transformatoren aufgeheizt, so ist ihre Belastung entsprechend zu reduzieren. 69 Die Anzahl der Module pro Kühler ist vom Anwender so zu wählen, dass eine gegenseitige Beeinflussung vermieden, bzw. kalkulatorisch berücksichtigt wird. 8.4.3 Anschluss von Stromzuführungen Hier ist zu beachten, dass: n keine zusätzlichen Zug- u. Druckkräfte auf die Anschlüsse der Module wirken. n bei Auftreten mechanischer Schwingungen kein Erd- oder Kurzschluss verursacht wird. n d as zusätzliche Aufheizen der Module über stromführende Teile, speziell auch durch direkt vorgeschaltete Sicherungen, konstruktiv vermieden wird. 8.4.4 Anschluss der Steuerleitungen Siehe hierzu Punkt 8.1.4 9. Wartung Thyristoren und Dioden sind als ruhende elektrische Bauteile nahezu wartungsfrei. Ihre Isolationsstrecken sind jedoch nicht gegen Spritz- und Tropfwasser sowie gegen Verschmutzung geschützt. Um die Isolierfähigkeit und die Wärmeabfuhr nicht zu beeinträchtigen, sind die Bauelemente und insbesondere ihre Isolierstrecken sowie die Kühlkörper regelmäßig zu reinigen. 10. Lagerung Nach Erhalt der Lieferung können Scheibenzellen und Powerblock- Module, in der Originalverpackung, über einen Zeitraum von mindestens 2 Jahren unter geeigneten Bedingungen gelagert werden. Die klimatischen Bedingungen sollten hierzu der IEC 60721-3-1 Klasse 1K2 entsprechen. 70 11. Typenbezeichnung Scheibenbauelemente T930N 36 T O F T Symmetrisch sperrender Thyristor D Diode 930Dauergrenzstrom (A) 0 Medium Power Keramikgehäuse 1 High Power Keramikgehäuse 3Lichtgezündeter Thyristor im Keramikgehäuse (LTT→ Light Triggered Thyristor) Anwendung NNetzdiode, Netzthyristor NHPulsed Power Diode mit Soft Recovery, LTT mit hohem Einschalt-di/dt KNetzdiode mit Kathode an Gehäuse (Schraubsockel- und Flachbodengehäuse) S schnelle Diode SH schnelle Dioden soft recovery – GCT, IGCT und IGBT Freilaufdioden USchnelle Diode mit Kathode an Gehäuse (nur Schraubsockel- und Flachbodengehäuse) A Avalanchediode BAvalanchediode mit Kathode an Gehäuse (nur Schraubsockel- und Flachbodengehäuse) Sperrspannung: 36periodische Vorwärts- und RückwärtsSpitzensperrspannung in 100V 36 = 3600V Bauart: BSchraubsockelgehäuse (metrisch) mit Seilanschluss CSchraubsockelgehäuse (metrisch) mit Lötöse E Flachbodengehäuse mit Seilanschluss T Scheibenzelle Freiwerdezeit: Okeine garantierte Freiwerdezeit (siehe Datenblatt) kritische Spannungssteilheit: C500V/µs F 1000V/µs G 1500V/µs H 2000V/µs Sondervariante: B01...n Konstruktionsvariante S01...n elektrische Sonderspezifikation PowerBLOCK Module TT 162 N 16 K O F -K TT mit 2 Thyristoren DD mit 2 Dioden ND, DZ, TZ mit 1 Thyristor oder 1 Diode TD, DT mit 1 Thyristor und 1 Diode 162 Dauergrenzstrom (A) Anwendung: N Netzdiode, Netzthyristor S schnelle Diode Sperrspannung: 16periodische Vorwärts- und Rückwärts-Spitzensperrspannung in 100V 16 = 1600V Bauart: APowerblockmodul mit Advanced Medium Power Technology K Powerblockmodul Freiwerdezeit: O keine garantierten Freiwerdezeiten (siehe Datenblatt) kritische Spannungssteilheit: F1000 V/µs Anschlussvariante: -K Ausführung mit gem. Kathode -A Ausführung mit gem. Anode Sondervariante: B1...nKonstruktionsvariante S1...n elektrische Sonderspezifikation 71 12. Schaltungsarten idealisierte Betrachtung mit induktiver Glättung Spannungsverlauf Ideeller Wechselspannungs gehalt der Gleichspannung WU, % Frequenz der überlagerten WechselSpannung SchenkelSpannung SchenkelStrom Hz U2RMS I2RMS 121 50 2,22 * Udi 1,57 * Id 48 100 1,11 * Udi 0,707 * Id 48 100 1,11 * Udi Id 18 150 0,855 * Udi 0,58 * Id 4,2 300 0,74 * Udi 0,408 * Id 4,2 300 0,855 * Udi 0,289 * Id 4,2 300 0,427 * Udi 0,82 * Id 2 I1 Id I2 1,8 + 1,6 1,4 1,2 Ud U1 1 Ii0 0,8 0,6 0,4 0,2 - 0 0 50 100 150 200 250 300 350 250 300 350 300 350 250 300 350 250 300 350 300 350 300 350 300 350 360° el 2 I1 Id I2 1,8 + 1,6 1,4 1,2 Ud 1 0,8 0,6 U2 Iin0 0,4 0,2 - 0 0 50 100 150 200 360° el Id + 2 1,8 1,6 1,4 I1 I2 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Ud Ii0 U2 ZweipulsMittelpunktschaltung M2 M2C ZweipulsBrückenschaltung B2 B2C Wirkschaltplan U1 EinpulsMittelpunktschaltung M1 M1C Zeigerbild der Ventilseitigen Wechselspannung Schaltgruppe des StromrichterTransformators Nach VDE 0558 U1 Schaltungsart nach DIN 41761 0 0 50 100 150 200 250 360° el - 2 U2 1,8 U1 I1 sqrt(3) DreipulsMittelpunktschaltung M3 M3C 1,6 I2 1,4 1,2 1 Id 0,8 + 0,6 0,4 Ud 0,2 0 0 50 100 150 200 360° el - I2 U2 SechspulsMittelpunktschaltung M6 M6C U1 I1 sqrt(2) z.B. Dyn 5 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 Id 0,8 + 0,6 0,4 0,2 0 0 50 100 150 200 Ud 360° el z.B. Dyn 5 U2 U1 I2 I1 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 Id 0,8 + 0,6 0,4 0,2 z.B. Yyn0, yn6 0 0 50 100 150 200 250 Ud 360° el Id SechspulsBrückenSchaltung B6 B6C + U1 2 U2 Doppel DreipulsMittelpunktschaltung M3.2 M3.2C 1,8 1,6 I2 1,4 1,2 1 Uv2 Ud 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 50 100 150 200 250 360° el - z.B. Yy0 1 0,8 0,6 ITRMS ITAV 0,4 0,2 I1 0 0 -0,2 U2 -0,4 U1 Wechselwegschaltung W1C W3C -0,6 -0,8 -1 72 α 50 100 150 200 250 Schenkelstrom TrafoTypenleistung PTR = I1RMS M1 M2 B2 M3 M6 1,21* U2 * Id U1 U2 * Id U1 U2 * Id U1 0,47* U2 * Id U1 0,577* U2 * Id U1 M3.2 0,408* U2 * Id U1 B6 W1C W3C 0,82* U2 * Id U1 P2 P1 PTR P1 + P2 2 Zweigstrom RMS IpRMS 3,49*Pdi 2,69*Pdi 3,1*Pdi 1,57*Id 1,57*Pdi 1,11*Pdi 1,34*Pdi 0,707*Id 1,11*Pdi 1,11*Pdi 1,11*Pdi 0,707*Id 1,48*Pdi 1,21*Pdi 1,35*Pdi 0,58*Id 1,81*Pdi 1,28*Pdi 1,55*Pdi 0,408*Id 1,48*Pdi 1,05*Pdi 1,26*Pdi 0,289*Id 1,05*Pdi 1,05*Pdi 1,05*Pdi 0,58*Id Ideelle ScheitelSperrSpannung Arithm. Ipar Id Uim StromFlußWinkel BemessungsGleichspannung (VDE 0588 / IEC60146-1-1) ө Ud U2RMS* 2 180°el 2 * U 2RMS π 0,45*U2RMS 0,5*Id 2*U2RMS* 2 180°el 2 2 * U2RMS π 0,9*U2RMS 0,5*Id U2eff* 2 180°el 2 2 * U2RMS π 0,9*U2RMS 0,33*Id 1,73*U2RMS* 120°el 2 3 3 2*π * U2RMS 1,17*U2RMS 0,17*Id 2*U2RMS* 2 60°el 3 2 * U2RMS π 1,35*U2RMS 0,17*Id 2*U2RMS* 2 120°el 3 3 2*π * U2RMS 1,17*U2RMS 0,33*Id 1,73*U2RMS* 120°el 2 3 2 * U v 2RMS π 1,35*Uv2RMS I1RMS *0,707 I1RMS *0,45 U1RMS* 2 180°el 73 A1. Kurzzeichen C Cnull E Etot f f0 F G iD iG IA IGD iGM IGT IH IL iR IRM IRMS IRMS(case) iT/iF ITAV/IFAV ITAVM/IFAVM ITINT/IFINT ITM/IFM IT(OV)/IF(0V) IT(OV)M/IF(OV)M IT(RC)M ITRM/IFRM ITRMSM/IFRMSM ITSM/IFSM ∫i²dt diG/dt diT/dt (diT/dt)cr L M P PD PG PR PRQ PRSM PT/PF PTAV/PFAV PTT/PFT PRQ Ptot Qr R rT RthCA RthCH RthJA RthJC t 74 Kapazität Nullkapazität Verlustenergie Gesamtverlust-Energie Frequenz Wiederholungsfrequenz Anpresskraft Gewicht Vorwärts-Sperrstrom Steuerstrom Ausgangsstrom nicht zündender Steuerstrom Spitzensteuerstrom Zündstrom Haltestrom Einraststrom Rückwärts-Sperrstrom Rückstromspitze Strom-Effektivwert Gehäusegrenzstrom Durchlassstrom Thyristor/ Diode (Augenblickswert) Durchlassstrom Thyristor/ Diode (Mittelwert) Dauergrenzstrom Thyristor/ Diode (Mittelwert) Höchstzulässiger Durchlassstrom bei Aussetzbetrieb Durchlassstrom Thyristor/ Diode (Spitzenwert) höchstzulässiger Überstrom bei Kurzzeitbetrieb Grenzstrom höchstzulässiger periodischer Einschaltstrom (aus RC) höchstzulässiger periodischer Spitzenstrom höchstzulässiger effektiver Durchlassstrom Stoßstrom-Grenzwert Grenzlastintegral Steilheit des Steuerstroms Steilheit des Durchlassstroms kritische Stromsteilheit Induktivität Anzugsdrehmoment Verlustleistung Sperrverlustleistung (Vorwärtsrichtung) Steuerverlustleistung Sperrverlustleistung (Rückwärtsrichtung) Ausschaltverlustleistung Stoßsperrverlustleistung Durchlassverlustleistung Thyristor/ Diode Durchlassverlustleistung Thyristor/ Diode (Mittelwert) Einschaltverlustleistung Thyristor/ Diode Ausschaltverlustleistung Gesamtverlustleistung Sperrverzögerungsladung Widerstand Ersatzwiderstand Wärmewiderstand Gehäuse-Kühlmittel Wärmewiderstand Gehäuse-Kühlkörper Gesamtwärmewiderstand innerer Wärmewiderstand Zeit capacitance zero capacitance energy total energy frequency repetition frequency clamping force weight forward off-state current gate current RMS on-state current gate non-trigger current peak gate current gate trigger current holding current latching current reverse current peak reverse recovery current RMS current peak case non-rupture current on-state current thyristor/diode (instantaneous value) on-state current thyristor/diode (average value) maximum average on-state current thyristor/diode maximum permissible on-state current in intermittent duty on-state current thyristor/diode (peak value) maximum permissible on-state current in short-time duty maximum permissible overload on-state current maximum permissible turn-on current (from snubber) maximum permissible repetitive peak on-state current maximum permissible RMS on-state current maximum rated on-state surge current maximum rated value ∫i²dt rate of rise of gate current rate of rise of on-state current critical rate of rise of on-state current inductance tightening torque power losses forward off-state power losses gate power losses reverse power losses turn-off power losses surge non-repetitive reverse power losses on-state power losses thyristor/diode on-state power losses thyristor/diode (average value) turn-on power losses thyristor/diode turn-off power losses total power losses recovered charge resistance slope resistance thermal resistance, case to coolant thermal resistance, case to heat sink thermal resistance, junction to coolant thermal resistance, junction to case time T TA TC tG tgd tfr TH tp tq trr Tstg Tvj tvj max Top tW VA V(B0) V(B0)0 VD VDM VD (DC) VDRM VDSM VG VGD VGT VFRM VISOL VL VR VRM VR (DC) VRM VRRM VRSM VT/VF V(T0) dvD/dt (dv/dt)cr VL VW W Wtot Z(th)CA Z(th)JA Z(th)JC θ Periodendauer Kühlmitteltemperatur Gehäusetemperatur Steuerimpulsdauer Zündverzug Durchlassverzögerungszeit Kühlkörpertemperatur Strompulsdauer (Sinusform) Freiwerdezeit Sperrverzugszeit Lagertemperatur Sperrschichttemperatur höchstzulässige Sperrschichttemperatur Betriebstemperatur Stromflusszeit (Trapezform) Ausgangsspannung Kippspannung Nullkippspannung Vorwärts-Sperrspannung (Augenblickswert) Vorwärts-Sperrspannung (Spitzenwert) Vorwärts-Gleichsperrspannung höchstzulässige periodische VorwärtsSpitzensperrspannung höchstzulässige VorwärtsStoßspitzensperrspannung Steuerspannung nicht zündende Steuerspannung Zündspannung Durchlassverzögerungsspannung Isolations-Prüfspannung Steuergenerator-Leerlaufspannung Rückwärts-Sperrspannung (Augenblickswert) Rückwärts-Sperrspannung (Spitzenwert) Rückwärts-Gleichsperrspannung Rückwärts-Sperrspannung (Spitzenwert) Höchstzulässige periodische Rückwärts-Sperrspannung höchstzulässige Rückwärts-Stoßspitzensperrspannung Durchlassspannung Thyristor/Diode (Augenblickswert) Schleusenspannung Steilheit der Vorwärts-Spannung kritische Spannungssteilheit Luftmenge Wassermenge Verlust-Energie Gesamtenergie Transienter äußerer Wärmewiderstand Transienter Gesamtwärmewiderstand Transienter innerer Wärmewiderstand Stromflusswinkel period coolant temperature case temperature trigger pulse duration gate controlled delay time forward recovery time heatsink temperature current pulse duration (sinusoidal) circuit commutated turn-off time reverse recovery time storage temperature junction temperature maximum permissible junction temperature operating temperature current pulse duration (trapezoidal) output voltage forward breakover voltage forward breakover voltage, gate open forward off-state voltage (instantaneous value) forward off-state voltage (peak value) forward DC off-state voltage maximum permissible repetitive peak forward off-state voltage maximum permissible non-repetitive peak forward off-state voltage gate voltage gate non trigger voltage gate trigger voltage forward recovery voltage insulation test voltage no-load voltage of trigger pulse generator reverse voltage (instantaneous value) reverse voltage (peak value) reverse DC voltage reverse voltage (peak value) maximum permissible repetitive peak reverse voltage maximum permissible non-repetitive peak reverse voltage on-state voltage thyristor/diode (instantaneous value) threshold voltage rate of rise of forward off-state voltage critical rate of rise of off-state voltage air quantity water quantity energy total energy transient thermal impedance, case to coolant transient thermal impedance, junction to coolant transient thermal impedance, junction to case current conduction angle 75 A2. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Schematischer Aufbau einer Diode 6 Abbildung 2 Kennlinien einer Diode 6 Abbildung 3 Schematischer Aufbau eines Thyristors 7 Abbildung 4 Kennlinien eines Thyristors 7 Abbildung 5 Bezeichnung der Anschlüsse 9 Abbildung 6 Prinzipielle Bauformen von Druckkontaktbauelementen 10 Abbildung 7 Typische Abhängigkeit des auf ID,R(VDRM,RRM; Tvj max) normierten Sperrstrom iD,R(VDRM,RRM) von der auf Tvj max normierten Sperrschichttemperatur Tvj 12 Abbildung 8 Definition der Sperrspannungsbelastungen 12 Abbildung 9 Typische Abhängigkeit des auf Tvj=25°C normierten Einraststromes IL und Haltestromes lH von der Sperrschichttemperatur Tvj 14 Abbildung 10 Beispiel einer Durchlasskennlinie und der dazugehörigen Ersatzgerade 15 Abbildung 11 Typische Abhängigkeit des Grenzstromes IT(OV)M, IF(OV)M (im Verhältnis zum Stoßstrom ITSM bzw. IFSM für 10 ms und Tvj max) von der Anzahl für eine Folge von Sinushalbschwingungen bei 50Hz. Parameter: Rückwärtssperrspannung VRM 16 Abbildung 12 Typische Abhängigkeit des Grenzstromes IT(OV)M, IF(OV)M (im Verhältnis zum Stoßstrom ITSM bzw. IFSM für 10 ms und Tvj max) von der Zeit t für eine Folge von Sinushalbschwingungen bei 50Hz. Parameter: Rückwärtssperrspannung VRM 17 Abbildung 13 Typische Abhängigkeit des auf ∫i² dt (10ms) normierten Grenzlastintegrals ∫i² dt von der Halbschwingungsdauer tP 17 Abbildung 14 Beispiel einer Steuercharakteristik vG = f (iG) mit Zündbereichen für VD = 12 V 20 Abbildung 15 Prinzipschaltung eines Steuergenerators für Thyristoren 21 Abbildung 16 LTT mit Lichtwellenleiter 21 Abbildung 17 Laserdiode SPL PL 90 typ. Abhängigkeit der Lichtleistung vom Steuerstrom 22 Abbildung 18 Empfohlener Strompuls für Laserdiode SPL PL 90 23 Abbildung 19 Sichere Übersteuerung des Zündstroms 24 Abbildung 20 Schematische Darstellung eines Einschaltvorgangs von Dioden 24 Abbildung 21 Schematische Darstellung des Einschaltvorgangs von Thyristoren 25 Abbildung 22 Typische Abhängigkeit der Zündverzugszeit tgd und dem maximalen Steuerstrom iGM26 Abbildung 23 Schematische Darstellung des Ausschaltvorgangs von Thyristoren und Dioden 28 Abbildung 24 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf Qr(Tvj max) normierten Sperrverzögerungsladung Qr 28 Abbildung 25 Typische di/dt-Abhängigkeit der auf Qr(di/dt=10A/µs) normierten Sperrverzögerungsladung Qr 28 Abbildung 26 Typische Tvj-Abhängigkeit der auf IRM (Tvj max) normierten Rückstromspitze IRM 29 Abbildung 27 Typische di/dt-Abhängigkeit der auf IRM (di/dt=10/µs) normierten Rückstromspitze IRM 29 Abbildung 28 Schematische Darstellung zum Ausschaltverhalten eines Thyristors 31 Abbildung 29 Typische Abhängigkeit der auf Tvj max normierten Freiwerdezeit tq von der Sperrschichttemperatur Tvj 31 Abbildung 30 Typische Abhängigkeit der -diT/dtnorm normierten Freiwerdezeit tq von der Abkommutierungssteilheit -diT/dt32 Abbildung 31 Typische Abhängigkeit der auf dvD/dt = 20V/µs normierten Freiwerdezeit tq von der Spannungssteilheit dvD/dt32 76 Abbildung 32 Thermisches Ersatzschaltbild für Dioden und Thyristoren 36 Abbildung 33 Beispiel für vT/vF-Klassen Definition 42 Abbildung 34 Stromfehlverteilung infolge unterschiedlicher Durchlassspannungen bei Parallelschaltung 43 Abbildung 35 Spannungsfehlverteilung infolge unterschiedlicher Sperrströme bei Reihenschaltung 44 Abbildung 36 Spannungsfehlaufteilung infolge unterschiedlichen Ausschaltverhaltens 45 Abbildung 37 Prinzipielle Darstellung der Safe Operation Area (SOA) eines für Pulsed Power optimierten Thyristors für einzelne sinusförmige Strompulse 46 Abbildung 38 Thyristorschalter mit Freilaufkreis am Kondensator 47 Abbildung 39 Thyristorschalter mit Freilaufkreis an der Last 48 Abbildung 40 Strom- und Spannungsverlauf am Thyristor 48 Abbildung 41 Beispiele für erweiterte RC-Beschaltungen für Thyristoren 51 Abbildung 42 Eingangsbeschaltung für Wechselstromumrichter 52 Abbildung 43 Berechnung der Ströme in einer Stellerschaltung 53 Abbildung 44 Summenbeschaltung auf der Wechselstromseite eines gesteuerten Gleichrichters 53 Abbildung 45 Zusätzliche Schutzmöglichkeiten gegen energiereiche Überspannungen 56 Abbildung 46 Abschaltcharakteristik superflinker Sicherungen 58 Abbildung 47 Schematischer Verlauf des Einschaltstroms von Thyristoren mit verschiedenen Vorinduktivitäten 60 Abbildung 48 Beispiel zur Beschaltung der Steuerstrecke von Thyristoren 61 Abbildung 49 Typische Spannvorrichtungen für Scheibenzellen 63 Abbildung 50 Typischer Aufbau mit Spannvorrichtung V176 für Scheibenzellen 63 Abbildung 51 Typische Abhängigkeit des RthJC von der Anpresskraft F 65 77 A3. Tabellenverzeichnis 78 Tabelle 1 Formfaktoren für Phasenanschnittbedingungen 34 Tabelle 2 RC-Reihenglieder zur Einzelbeschaltung bei Netzanwendungen 50 Tabelle 3 Ersatzgrößen zu Stromrichterschaltungen 50 Tabelle 4 Komponenten für Summenbeschaltung auf der Wechselstromseite einer gesteuerten Drehstrombrücke 54 Tabelle 5 Ermittlung von Zweig- und Strangströmen 58 A4. Nutzungsbedingungen Die in dieser technischen Information enthaltenen Daten sind ausschließlich für technisch geschultes F achpersonal bestimmt. Die Beurteilung der Geeignetheit der Produkte für die von Ihnen anvisierte Anwendung sowie die Beurteilung der Vollständigkeit der bereitgestellten Produktdaten für diese Anwendung obliegt Ihnen bzw. Ihren technischen Abteilungen. Garantien jeglicher Art werden für das Produkt und dessen Eigenschaften keinesfalls übernommen. Sollten Sie von uns Produktinformationen benötigen, die über den Inhalt dieser Technischen Information hinausgehen und insbesondere eine spezifische Verwendung und den Einsatz der Produkte betreffen, setzen Sie sich bitte mit dem für Sie zuständigen Vertriebsbüro in Verbindung (siehe www.Infneon.com, Vertrieb&Kontakt). Für Interessenten halten wir Produkt Datenblätter und Application Notes bereit. Aufgrund der technischen Anforderungen könnten unsere Produkte gesundheits-gefährdende Substanzen enthalten. Bei Rückfragen zu den in diesem Produkt jeweils enthaltenen Substanzen setzen Sie sich bitte ebenfalls mit dem für Sie zuständigen Vertriebsbüro in Verbindung. Sollten Sie beabsichtigen, die Produkte in Anwendungen der Luftfahrt, in gesundheits- oder lebensgefährdenden oder lebenserhaltenden Anwendungsbereichen einzusetzen, bitten wir um Mitteilung. Wir weisen darauf hin, dass wir für diese Fälle n die gemeinsame Durchführung eines Risiko- und Qualitätsassessments; n den Abschluss von speziellen Qualitätssicherungsvereinbarungen; ndie gemeinsame Einführung von Maßnahmen zu einer laufenden Produktbeobachtung dringend empfehlen und gegebenenfalls die Belieferung von der Umsetzung solcher Maßnahmen abhängig machen. Soweit erforderlich, bitten wir Sie, entsprechende Hinweise an Ihre Kunden zu geben. Inhaltliche Änderungen dieser technischen Information bleiben vorbehalten. 79 Notes 80 Produkte und Innovationen Höchste Zuverlässigkeit und Effizienz bei einer Kerntechnologie sind immer nur eine Momentaufnahme. Wir verstehen dieses Optimum als stetige Aufgabe. Bei IFBIP haben wir mit unseren Technologien und den daraus entstandenen Produkten auf dieser Basis übergreifende Standards in Leistungsklassen von ca. 10kW bis über 30MW pro Bauelement gesetzt. Dazu zählen unter anderem: ■ ■ ■ ■ PowerBLOCK–Module in Druckkontakttechnologie mit Strömen bis zu 1100 Ampere Dioden und Thyristoren mit einem Siliziumdurchmesser bis sechs Zoll und Sperr spannungen bis 9500 Volt Lichtzündbare Thyristoren mit integrierten Schutzfunktionen Freilaufdioden für höchste Anforderungen in schnellschaltenden Anwendungen, wie z.B. mit IGBTs oder IGCTs 600A/9,5kV Thyristor Technologie für Sanft-Anlasser und Stromversorgungen Dieser 9,5kV Thyristor ist ausgelegt und entwickelt für die besonderen Anforderungen in Sanft-Anlasser-Anwendungen so wie Stromversorgungen für Mittelspannungsnetze. Bei diesen Anwendungen ist die Serienschaltung von mehreren Thyristoren erforderlich. Sie wurden optimiert für eine möglichst gleichmäßige Spannungsaufteilung unter allen Betriebszuständen. Die Bauelemente sind für eine hohe Stoßstromfestigkeit ausgelegt. Um eine enge Streuung der dynamischen Parameter sicher zu stellen und damit kostenoptimierte Schaltungen (möglichst wenige Thyristoren in Serie erforderlich) entwickeln zu können, kommen für diese Thyristoren ausschließlich neueste Herstellungs-Prozesse zum Einsatz. Natürlich sind diese Thyristoren auch bestens geeignet für All-Zweck-NetzgleichrichterAnwendungen, wie zum Beispiel für Stromversorgungen und elektrische Antriebssteuerungen. AN2012-01 Ask Infineon. Get connected with the answers. Where you need it. When you need it. Infineon offers its toll-free 0800/4001 service hotline as one central number, available 24/7 in English, Mandarin and German. Our global connection service goes way beyond standard switchboard services by offering qualified support on the phone. Call us! nGermany ...................... 0800 951 951 951 (German/English) n China, mainland .......... 4001 200 951 (Mandarin/English) nIndia ........................... 000 800 4402 951 (English) nUSA ............................. 1-866 951 9519 (English/German) n Other countries ............ 00* 800 951 951 951 (English/German) n Direct access ............... +49 89 234-0 (interconnection fee, German/English) * Please note: Some countries may require you to dial a code other than “00” to access this international number, please visit www.infineon.com/service for your country! Where to Buy Infineon Distribution Partners and Sales Offices Please use our location finder to get in contact with your nearest Infineon distributor or sales office. www.infineon.com/WhereToBuy www.ifbip-shop.com Technische Information Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG …for energy efficiency! Bipolare Halbleiter Published by Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG Max-Planck-Str. 5 59581 Warstein Tel. +49 (0) 2902 98 99-0 Fax +49 (0) 2902 98 99-2482 © 2012 Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG. All Rights Reserved. Visit us: www.ifbip.com · www.ifbip-shop.com Order Number: B157-H9717-X-X-7400 Date: 04 / 2012 Attention please! The information given in this document shall in no event be regarded as a guarantee of conditions or characteristics (“Beschaffenheitsgarantie”). With respect to any examples or hints given herein, any typical values stated herein and/ or any information regarding the application of the device, Infineon Technologies hereby disclaims any and all warranties and liabilities of any kind, including without limitation warranties of non-infringement of intellectual property rights of any third party. Information For further information on technology, delivery terms and conditions and prices please contact your nearest Infineon Technologies Office (www.infineon.com). Warnings Due to technical requirements components may contain dangerous substances. For information on the types in question please contact your nearest Infineon Technologies Office. Infineon Technologies Components may only be used in life-support devices or systems with the express written approval of Infineon Technologies, if a failure of such components can reasonably be expected to cause the failure of that life-support device or system, or to affect the safety or effectiveness of that device or system. Life support devices or systems are intended to be implanted in the human body, or to support and/or maintain and sustain and/or protect human life. If they fail, it is reasonable to assume that the health of the user or other persons may be endangered. www.ifbip.com · www.ifbip-shop.com