Thyristor
Beschreibung und Wirkungsweise
verschiedene Bauformen
Allgemeines:
Er hat drei pn-Übergänge in der Folge pnpn. Wie eine Diode hat der Thyristor Anode und Kathode, im Gegensatz zur Diode kommt aber noch ein Gate-Anschluss hinzu.
Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Durchlassrichtung sperrt er bis zu einer Zündspannung (Nullkippspannung für eine Gate-Kathoden-Spannung von 0 V).
Durch einen positiven Stromimpuls am Gate kann er in den leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode.
Die Zündung erfolgt mit einem kurzem Impuls am Gate.
Einschalten:
Durch Strominjektion in die dritte Schicht (Ansteuerung am Gate) kann der Thyristor gezündet (leitfähig geschaltet) werden. Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode
und Kathode, sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Charakteristisch für den Einschaltvorgang des Thyristors ist dabei, dass der Vorgang durch eine Mitkopplung
unterstützt wird. Der Ablauf des Einschaltvorgangs ist daher - im Gegensatz zu anderen Leistungshalbleitern- nicht über das Gate in der Geschwindigkeit zu beeinflussen. Problematisch ist
die Stromdichte in der dritten Schicht beim Zündvorgang. Beim Injizieren der Elektronen wird die Schicht an der Eintrittsstelle leitend. Bis die gesamte Siliziumfläche leitend ist, konzentriert
sich der Strom auf den schon leitenden Bereich, in dem die gesamte Verlustleistung umgesetzt wird. Dabei kann die Verlustleistungsdichte den zulässigen Wert überschreiten und zu
örtlichen Temperaturerhöhungen über die Diffusionstemperatur oder gar die Schmelztemperatur (1683 K) des Siliziums hinaus, führen. Deshalb ist es wichtig, dass die
Stromanstiegsgeschwindigkeit auf ihren zulässigen Wert begrenzt wird. Das erfordert je nach Lastverhalten eine in Serie geschaltete Drosselspule. Oft ist dies eine Sättigungsdrossel.
Abschalten:
Gelöscht (in den Sperrzustand versetzt) wird der Thyristor durch Unterschreiten des Haltestroms, im Allgemeinen durch Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis, oder im
Stromnulldurchgang des Lastkreises (z.B. im Gleichrichter). Die Freiwerdezeit begrenzt dabei die Geschwindigkeit dieses Vorgangs.
Die Freiwerdezeit tq ist die Zeit, die erforderlich ist, damit der Thyristor nach Beendigung der Stromleitungsphase wieder seine volle Steuer- und Sperrfähigkeit erhält. Diese erlangt der
Thyristor erst wieder, wenn die dafür maßgebende mittlere Sperrschicht durch Rekombination von Ladungsträgern geräumt ist. Die Freiwerdezeit ist eine Bauteileigenschaft und wird im
Datenblatt angegeben. Je nach Typ kann die Freiwerdezeit 10 bis 400 µs betragen.
Die Freiwerdezeit erfordert im Moment des Verlöschens bei induktiven Verbrauchern eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch ein R-C-Glied, da es andernfalls (die
Induktivität führt noch den Haltestrom!) zur spontanen Wiederzündung („Über-Kopf-Zünden“) kommen kann. Neuere Thyristoren („snubberless“-Typen) sind in der Lage, diesen
Spannungsanstieg auch ohne R-C-Glied zu bewältigen.