Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen moderner Leistungshalbleiter
Elektrische Leitfähigkeit (3 Gruppen)
Halbleitermaterialien
Bändermodell
Bandlücken und Durchbruchfeldstärken der wichtigsten Halbleiter (bei 300 K)
Wie können Elektronen und Löcher generiert werden?
thermischer Entstehungsprozess
Fotogeneration (Lichteinstrahlung -> Thyristor)
Stoßionisation
Ionisation durch Störstellen (Fremdatome im Gitter -> Dotierung)
Gegenüberstellung der Elektronenkonzentration im Leitungsband bei dotierten und undotierten Halbleitern
Vergleich von Si, SiC und GaN
Halbleiter- und Waferherstellung (7 Schritte)
Waferherstellung
Abscheidung-/Epitaxieprozess
Dotierung
Oxidation
Fotolithografie und Ätzen
Metallisierung
Qualitätskontrolle und Verpackung
Prinzipieller Aufbau einer Leistungsdiode
Grundsätzliche Unterscheidung von Leistungsdioden in 2 Hauptgruppen
Diodenkennlinie für den stationären Zustand
Ausschaltverhalten von Leistungsdioden (Reverse-Recovery-Effekt)
Wovon sind die Sperrverzugsladung, der Spitzenwert des Rückstroms und die Sperrverzugszeit im Betrieb abhängig?
Sperrschicht-Temperatur
Durchlassstrom vor dem Ausschalten (Menge an Plasma)
der Stromsteilheit beim Ausschalten
der anliegenden Sperrspannung
dem Diodentyp und der Dotierung
Nach der Steilheit bzw. dem Verlauf des abklingenden Rückstromes nach der Rückstromspitze kann man unterscheiden in Dioden mit:
“hard-recovery“ oder “snap-off”
“soft-recovery“
Formel zur Berechnung des Softness-Faktors F_RRS
F_RRS = t_f / t_r
schematischer Aufbau einer Schottky-Diode
Arten von Stromrichter nach ihrer äußeren Wirkungsweise
Stromrichterviereck
Was ist ein Stromrichterventil?
Ein Stromrichterventil ist ein Funktionselement, welches den elektrischen Strom nur in einer Richtung führt. Beim Stromrichten wird es periodisch abwechselnd in den elektrisch leitenden und in den nicht leitenden Zustand versetzt
Was ist ein Stromrichterzweig?
Ein Stromrichterzweig ist jeder Teil einer Stromrichterschaltung, der die Funktion eines Stromrichterventils ausübt. Ein Stromrichterzweig kann außer dem Stromrichterventil weitere Funktionselemente (z.B. Kondensatoren, Induktivitäten) enthalten.
Was ist Kommutierung?
+ wichtige Parameter
Die Kommutierung innerhalb eines Stromrichters ist die Stromübernahme in zyklischer Reihenfolge, bei der zwei Stromrichterzweige gleichzeitig Strom führen.
Die Stromübernahme ist der Übergang des Stromes von einem Stromrichterzweig auf einen anderen.
Parameter: Kommutierungsspannung und -induktivität
Aufbau eines Thyristors
Kennlinie eines Thyristors
Was ist die Kippspannung?
Die Vorwärtsspannung, bei der der Thyristor durch einen Steuerstrom vom gesperrten in den leitenden Zustand übergeht.
Was ist die Nullkippspannung?
Der Vorwärtsspannung, bei der der Thyristor ohne Steuerstrom zündet.
Was ist der Einrast-/Latchstrom I_L?
Der minimale Durchlassstrom, der nach dem Zünden des Thyristors fließen muss, damit er im eingeschalteten Zustand bleibt.
Was ist der Haltestrom I_H?
Der kleinste Durchlassstrom, der fließen muss damit der Thyristor im leitenden Zustand bleibt.
Fällt der Strom unter dem Wert schaltet er ab.
Arten einen Thyristor zu zünden (5)
definierter Gatestrom I_G
Überschreiten der Kippspannung bzw. Nullkippspannung
unzulässig hohe Spannungsflanke
Lichtzündung
zu hohe Betriebstemperatur
Was ist die Freiwerdezeit?
Die Zeit, welche benötigt wird, dass die interne Speicherladung fast vollständig ausgeräumt ist, damit der Thyristor wieder Blockierspannung aufnehmen kann.
Was ist die Schonzeit?
Die Zeit, welche es mindestens braucht, damit der Thyristor nach dem Abschalten wieder sicher eingeschaltet werden kann.
Wie ist das Verhältnis von Freiwerdezeit und Schonzeit?
Schonzeit > Freiwerdezeit
GTO-Thyristor mit Schutzbeschaltung
RCD-Clamping-Schaltung, wie sie u.a. auch bei IGCT-Umrichtern eingesetzt wird
Tröger-Umschwinglöschschaltung
Ein Gleichspannungswandler mit einem Transistor im Linearbetrieb soll eine Gleichspannung von 12V auf eine niedrigere Gleichspannung von 9V herabsetzten.
Wie viel Prozent der zugeführten Leistung wird im Transistor in Wärme umgesetzt?
25%
Vorteile von SiC
höhere Sperrfeldstärke
höhere Temperaturfestigkeit
Eigenleitung
Fremdleitung
Eigenleitung: Leitfähigkeit eines reinen Halbleiters durch thermisch erzeugte Ladungsträger
Fremdleitung: Leitfähigkeit eines dotierten Halbleiters
Leitwertmodulation
Bei leitender bipolarer Leistungsdiode werden viele Ladungsträger in die Driftzone eingespritzt.
Dadurch sinkt deren effektiver Widerstand stark, der Leitwert steigt an.
Forward-Recovery-Effekt (+3 Halbleiter)
Der Forward-Recovery-Effekt ist eine kurzzeitig erhöhte Durchlassspannung beim Einschalten
eines Leistungshalbleiters, bevor sich die Ladungsträgerverteilung vollständig aufgebaut hat.
Typische Beispiele sind Leistungsdiode, Thyristor und GTO/IGCT.
Drei Unterschiede zwischen MOSFET und IGBT
MOSFET ist unipolar, IGBT besitzt bipolare Ladungsträgerbeteiligung.
MOSFET schaltet in der Regel schneller, IGBT hat oft Tail Current beim Ausschalten.
MOSFET zeigt im leitenden Zustand einen ohmschen Widerstand RDS,on, der IGBT eine
eher nahezu konstante Sättigungsspannung VCE,sat.
In selbstgeführten Tiefsetzstellern werden aktiv abschaltbare Leistungshalbleiter
eingesetzt. Wer liefert die Kommutierungsblindleistung bei der Laststromkommu-
tierung von der Freilaufdiode auf den aktiv einschaltenden Leistungshalbleiter?
Die Kommutierungsblindleistung bei der Laststromkommutierung von der Freilaufdiode auf den
aktiv einschaltenden Leistungshalbleiter wird vom Zwischenkreis, praktisch also von der spei-
senden Quelle bzw. dem Zwischenkreiskondensator, geliefert.
Nennen Sie die zwei wesentlichen Unterschiede zwischen GTO-Thyristor
und IGCT.
Der IGCT besitzt eine integrierte, sehr niederinduktive Gate-Ansteuerung.
Der IGCT kann mit höherem negativem Gate-Strom deutlich schneller und verlustärmer
abgeschaltet werden als ein GTO.
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