LEK A

In der Leistungselektronik meint man mit dem Kommutierungsvorgang den Umschaltvorgang des Stroms von einem Leistungshalbleiter oder Strompfad auf einen anderen.

Einfach gesagt:

Ein Strom fließt zuerst durch ein bestimmtes Bauteil, zum Beispiel einen Thyristor, eine Diode oder einen Transistor. Beim Kommutieren wird dieser Strompfad geändert, sodass der Strom danach durch ein anderes Bauteil fließt.

Ein typisches Beispiel ist ein Stromrichter mit mehreren Ventilen. Dort leitet zunächst ein Ventil den Laststrom. Wenn das nächste Ventil gezündet wird, geht der Strom nicht sprunghaft ideal sofort über, sondern während einer kurzen Zeit teilen sich die beteiligten Bauteile den Strom. Genau diese

Übergangsphase nennt man Kommutierungsvorgang.

Wichtig dabei sind diese Punkte:

Erstens: Der Strom wird von einem alten auf einen neuen Zweig übertragen.

Zweitens: Dieser Übergang braucht wegen Induktivitäten im Netz oder in der Last eine gewisse Zeit.

Drittens: Währenddessen können besondere Spannungs- und Stromverläufe auftreten, die für die

Auslegung sehr wichtig sind.

Die Studierenden sollen die Eigenschaften konventioneller und moderner Leistungshalbleiter beschreiben und unterscheiden können. Außerdem sollen sie Methoden zur Berechnung von Durchlass- und Schaltverlusten anwenden, Kühlsysteme bzw. Entwärmungsverfahren dimensionieren und Kommutierungskreise analysieren sowie geeignet vereinfachen können.

Das Skript behandelt Einsatzgebiete moderner Leistungshalbleiter, Halbleiterphysik, Leistungsdioden, Thyristoren und GTOs, Leistungs-MOSFETs und IGBTs, Kommutierungsvorgänge, Gateansteuerungen, Modul- und Gehäuseaufbau sowie aktuelle Entwicklungstrends wie SiC und GaN.

Weil General Electric damit erstmals den steuerbaren Siliziumgleichrichter SCR vorstellte. Damit begann die moderne, halbleiterbasierte Leistungselektronik auf Basis steuerbarer Ventile.

Nach den Leistungsdioden und dem Thyristor folgten unter anderem der abschaltbare Thyristor GTO, dann Leistungs-MOSFETs, das IGBT-Konzept, später der IGCT sowie moderne SiC-Schottky-Dioden und aktive SiC-Leistungshalbleiter.

Je höher die Umrichterleistung, desto niedriger ist typischerweise die erreichbare oder wirtschaftlich sinnvolle Schaltfrequenz. Sehr hohe Leistungen liegen eher bei Thyristor- oder GTO-Anwendungen, niedrigere bis mittlere Leistungen eher bei IGBTs und FETs.

Thyristoren decken sehr hohe Leistungen bei niedrigen Schaltfrequenzen ab. GTOs liegen ebenfalls im Hochleistungsbereich, aber über Thyristoren hinsichtlich Schaltbarkeit. IGBTs bedienen mittlere bis hohe Leistungen bei mittleren Schaltfrequenzen. FETs eignen sich besonders für niedrige bis mittlere Leistungen bei hohen bis sehr hohen Schaltfrequenzen.

Weil sie deutlich geringere Verluste, kleinere Baugrößen, höhere Zuverlässigkeit und einfachere Integration in moderne Stromrichter ermöglichten. Sie markierten damit den Übergang von voluminösen historischen Gleichrichtern zu kompakten Halbleiterlösungen.

In Isolatoren mit sehr kleiner Leitfähigkeit, Halbleiter mit mittlerer und stark beeinflussbarer Leitfähigkeit sowie Metalle mit hoher Leitfähigkeit. Für Halbleiter ist charakteristisch, dass ihre Leitfähigkeit stark von Temperatur, Dotierung und weiteren Einflüssen abhängt.

Wesentliche Einflussgrößen sind Temperatur, Magnetfeld, Licht, mechanische Belastung und Verunreinigungen beziehungsweise Dotierung. Gerade diese starke Beeinflussbarkeit macht Halbleiter technisch so nutzbar.

Monokristalle weisen weniger Inhomogenitäten und weniger Zustände in der Bandlücke auf. Dadurch sind hohe Sperrspannungen, niedrige Sperrströme und höhere Ladungsträgerbeweglichkeiten möglich, was für gute Sperr- und Durchlasseigenschaften entscheidend ist.

Germanium, Silizium, Galliumarsenid, Siliziumkarbid, Galliumnitrid und in theoretischer Perspektive Diamant. Für die Leistungselektronik ist heute vor allem Silizium wichtig, während SiC und GaN als Zukunftsmaterialien gelten.

Historisch war Germanium wichtig, heute hat es in der Leistungselektronik praktisch keine wesentliche Bedeutung mehr. Silizium ist hier das dominierende Material.

Silizium verbindet beherrschbare Fertigungstechnologie, gute Sperr- und Leitfähigkeitseigenschaften, hohe Verfügbarkeit und wirtschaftliche Herstellung. Daher ist es in den meisten klassischen Anwendungen das Standardmaterial.

Primär für Mikrowellensender und sehr schnelle elektronische Anwendungen. Im Bereich der Leistungselektronik wird GaAs vor allem für Schottky-Dioden genutzt.

SiC ermöglicht höhere Sperrspannungen, höhere Schaltfrequenzen und sehr hohe zulässige Betriebstemperaturen. Wegen der größeren Bandlücke und höheren Durchbruchfeldstärke können Bauelemente für dieselbe Spannung dünner und damit verlustärmer ausgelegt werden.

Weil 4H-SiC eine deutlich höhere Elektronenbeweglichkeit in vertikaler Richtung besitzt. Dadurch ist der ohmsche Widerstand im schwach dotierten Driftgebiet deutlich geringer als bei anderen SiC-Polytypen.

GaN ist bereits wichtig in der Lichttechnik und bei Hochfrequenztransistoren. Als Material für Leistungsbauelemente ist es sehr attraktiv, technologisch aber schwieriger zu beherrschen als SiC.

Elementehalbleiter bestehen aus einem Element, etwa Silizium oder Germanium. Verbindungshalbleiter bestehen aus mehreren Elementen, etwa SiC aus Gruppe IV plus IV oder GaN und GaAs aus Gruppe III plus V.

Das Bindungsmodell und das Bändermodell. Das Bindungsmodell erklärt das Verhalten über kovalente Bindungen im Kristall, das Bändermodell über erlaubte und verbotene Energiebereiche.

Alle Valenzelektronen sind in kovalenten Bindungen gebunden. Es stehen praktisch keine freien Ladungsträger für die Leitung zur Verfügung.

Durch thermische Anregung werden Bindungen aufgebrochen. Frei werdende Elektronen führen zur Elektronenleitung. Die zurückbleibenden offenen Bindungen verhalten sich wie bewegliche positive Ladungsträger und führen zur Löcherleitung.

Die Bandlücke ist der Energieabstand zwischen Valenzband und Leitungsband. Sie bestimmt wesentlich, ob ein Material Isolator, Halbleiter oder Leiter ist und wie leicht Elektronen in das Leitungsband gelangen.

Bei Leitern gibt es praktisch keine relevante Bandlücke. Halbleiter besitzen eine mittlere Bandlücke, sodass Elektronen durch thermische oder andere Anregung ins Leitungsband gelangen können. Isolatoren haben eine große Bandlücke, weshalb Leitung nur sehr schwer möglich ist.

Germanium etwa 0,66 eV, Silizium 1,12 eV, Galliumarsenid 1,42 eV, 4H-SiC 3,26 eV, GaN 3,45 eV und Diamant 5,45 eV.

Eine große Bandlücke erlaubt hohe elektrische Feldstärken und damit hohe Sperrspannungen. Alternativ können Bauelemente bei gleicher Sperrspannung dünner aufgebaut werden, was die Durchlassverluste senken kann.

Sie ist die Ladungsträgerdichte des ideal undotierten Halbleiters im thermischen Gleichgewicht. Sie hängt stark von der Temperatur ab und wächst exponentiell mit steigender Temperatur.

Im thermodynamischen Gleichgewicht gilt ni² = n · p. Das Produkt aus Elektronen- und Löcherdichte ist also konstant und wird durch die intrinsische Ladungsträgerdichte bestimmt.

Wenn ni in die Größenordnung der Grunddotierung kommt, dominiert die Eigenleitung. Dann sinkt der innere Widerstand stark, das Halbleiterverhalten wird instabil und es droht thermisches Durchgehen.

Für ein Silizium-Bauelement mit etwa 1000 V Sperrspannung wird bei ungefähr 200 °C die intrinsische Ladungsträgerdichte kritisch. Bei SiC wären theoretisch dagegen deutlich höhere Temperaturen von über 800 °C möglich.

Fotogeneration, Stoßionisation und Ionisation durch Störstellen beziehungsweise Dotierung. Diese Prozesse ergänzen die thermische Eigenleitung.

Durch Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter werden gezielt zusätzliche freie Elektronen oder Löcher erzeugt. Dadurch lässt sich Leitfähigkeit und Leitungstyp des Halbleiters einstellen.

Akzeptoren sind meist Elemente der III. Gruppe wie Bor, Aluminium oder Gallium. Sie nehmen im Gitter ein Elektron auf, erzeugen dadurch ein Loch und führen zu p-leitendem Material.

Donatoren sind meist Elemente der V. Gruppe wie Antimon, Phosphor oder Arsen. Sie geben leicht ein Elektron ab und führen damit zu n-leitendem Material.

Majoritätsladungsträger sind die durch die Dotierung vorherrschenden Ladungsträger, also Elektronen im n-Halbleiter und Löcher im p-Halbleiter. Die jeweils anderen heißen Minoritätsladungsträger.

Sie geben den Dotierungsgrad an. Minus steht für niedrig dotiert, ohne Zusatz für mittel dotiert und Plus für hoch dotiert. Besonders wichtig für Leistungshalbleiter sind die schwach dotierten Gebiete, weil sie Sperrverhalten und Feldverteilung prägen.

Sie bestimmen im Wesentlichen Sperrspannung, Feldverlauf und häufig auch einen großen Teil des Durchlasswiderstands. Deshalb sind sie für das Bauelementverhalten besonders entscheidend.

Direkte Band-Band-Rekombination, Auger-Rekombination und Shockley-Read-Hall-Rekombination. Je nach Dotierung und Material dominiert ein anderer Mechanismus.

Die Auger-Rekombination. Sie nimmt stark mit der Ladungsträgerkonzentration zu und bestimmt deshalb in n+ und p+ Gebieten oft die Trägerlebensdauer.

Die Shockley-Read-Hall-Rekombination über tiefe Störstellen. Sie wird technisch auch gezielt beeinflusst, etwa durch Bestrahlung zur Einstellung der Trägerlebensdauer.

Stoßionisation ist der inverse Prozess der Auger-Rekombination. Ein energiereicher Ladungsträger schlägt dabei ein weiteres Elektron aus dem Valenzband oder aus einer Störstelle frei.

Bei Überschreitung der kritischen Feldstärke kann sie eine Ladungsträgerlawine auslösen. Das führt zum Lawinendurchbruch, stark erhöhtem Sperrstrom, hoher Verlustleistung und eventuell zur Zerstörung des Bauelements.

Si ist technologisch ausgereift und Standard. SiC bietet besonders hohe Spannungs-, Temperatur- und Frequenzfähigkeit. GaN ist für sehr hohe Frequenzen besonders interessant, aber in der Leistungselektronik noch technologisch anspruchsvoller.

Ziel ist die kostengünstige, qualitativ hochwertige und zuverlässige Herstellung von Halbleiterchips für elektronische und leistungselektronische Anwendungen.

Zum Beispiel mit dem Czochralski-Verfahren, bei dem ein Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, oder mit dem Zonenschmelzverfahren, bei dem polykristallines Material in monokristallines umgewandelt wird.

Typisch sind 6-, 8- und 12-Zoll-Wafer.

Epitaxie ist das gerichtete Aufwachsen einer zusätzlichen Halbleiterschicht hoher Reinheit und Kristallqualität auf einem Substrat. Sie ist vor allem bei Leistungshalbleitern für definierte Driftgebiete wichtig.

Gasphasendiffusion und Ionenimplantation. Diffusion arbeitet mit hohen Temperaturen, während Ionenimplantation gezielter und besser reproduzierbar ist.

Sie dienen als hochisolierende Schichten, etwa bei MOS-Strukturen, und außerdem zur Passivierung und zum Schutz der Chipoberfläche gegen Umwelteinflüsse.

Mit der Fotolithografie wird die Struktur mittels Fotolack und Belichtung aufgebracht, durch Ätzen wird unerwünschtes Material entfernt und die Metallisierung erzeugt elektrische Kontaktierungen innerhalb der Struktur.

Die Chips werden elektrisch geprüft, defekte Exemplare aussortiert, anschließend aus dem Wafer getrennt, in Gehäuse eingebracht und elektrisch kontaktiert.

Eine Leistungsdiode muss hohe Sperrspannungen aufnehmen und hohe Ströme mit möglichst geringen Durchlassverlusten führen können. Dafür benötigt sie einen speziell angepassten Aufbau mit Driftgebiet und großer aktiver Chipfläche.

Durch ausreichend große Siliziumfläche oder den Parallelbetrieb mehrerer Diodenchips. So kann der Strom über eine größere Fläche verteilt werden.

Durch eine schwach dotierte Mittelschicht, das Driftgebiet beziehungsweise die i- oder ν-Zone. In ihr kann sich im Sperrbetrieb die Raumladungszone ausbreiten und die Sperrspannung aufnehmen.

Weil zwischen den hochdotierten Randzonen eine schwach dotierte beziehungsweise nahezu intrinsische Zone liegt. Diese Mittelschicht ist für die Spannungsaufnahme entscheidend.

Beim Übergang vom Sperr- in den Durchlasszustand muss das Driftgebiet erst von den Rändern her mit Ladungsträgern geflutet werden. In dieser transienten Phase zeigt die Diode eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung, bevor der stationäre leitfähige Zustand erreicht ist.

Gleichrichterdioden für Netzfrequenz mit untergeordneten Schaltverlusten und hoher Trägerlebensdauer sowie schnelle Dioden für hochfrequente Anwendungen mit abgesenkter Trägerlebensdauer und verbessertem Ausschaltverhalten.

Für Netzfrequenzanwendungen mit 50 bis 60 Hz. Dort sind die Schaltverluste weniger kritisch, wichtiger sind robustes Sperrverhalten und hohe Stromtragfähigkeit.

Als schnelle Freilaufdioden zusammen mit aktiv schaltenden Halbleitern und als Gleichrichter in hochfrequent getakteten Schaltungen. Sie arbeiten bis deutlich über 100 kHz.

Bei Epitaxialdioden wird eine n−-Schicht auf ein n+-Substrat aufgewachsen und anschließend die p+-Zone eingebracht. Doppeldiffundierte Dioden entstehen durch Diffusion in einen schwach dotierten Wafer. Epitaxialdioden eignen sich eher für niedrigere bis mittlere Spannungen, doppeldiffundierte Dioden für höhere Spannungen.

Im unteren Spannungsbereich bis etwa 200 V werden überwiegend konventionelle Schottky-Dioden eingesetzt.

Der Sperrstrom steigt stark an, die Durchbruchspannung UBR nimmt zu und die Schleusenspannung beziehungsweise das Kennlinien-Offset UT0 sinkt.

Im Durchlassbetrieb wird das schwach dotierte Driftgebiet von Ladungsträgern überschwemmt. Dadurch sinkt sein Widerstand stark und die Durchlassverluste werden wesentlich reduziert.

Ohne Leitwertmodulation hätte das schwach dotierte Driftgebiet einen hohen ohmschen Widerstand. Erst die Ladungsträgerüberschwemmung ermöglicht hohe Ströme bei akzeptablen Durchlassverlusten.

UBR als physikalische Durchbruchspannung, URRM als maximal wiederholbare Spitzensperrspannung, UF als Durchlassspannung, IRM als maximal zulässiger Sperrstrom, IR als tatsächlicher Sperrstrom sowie IF, IFAV und IFRMS für Durchlassstrom und seine Mittel- beziehungsweise Effektivwerte.

Weil der Forward-Recovery-Effekt zwar eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung verursacht, dieser Energieanteil aber im Vergleich zu anderen Verlustanteilen meist klein bleibt.

Vor allem von der Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt und von der Sperrspannungsklasse beziehungsweise der Weite des Driftgebietes. Höhere Stromrampen und breitere Driftgebiete verstärken den Effekt.

Weil das Driftgebiet nicht sofort leitwertmoduliert ist und die Ladungsträger erst zeitlich verzögert aufgebaut werden. Dadurch entsteht eine Spannungsspitze ähnlich einer induktiven Gegenreaktion.

Weil beim Umschalten vom Durchlass- in den Sperrbetrieb noch gespeicherte Ladungsträger im Driftgebiet vorhanden sind. Diese müssen erst durch Extraktion oder Rekombination entfernt werden, bevor die Diode wieder Sperrspannung übernehmen kann.

QR ist die Ladungsmenge, die nach dem Stromnulldurchgang noch bis zur Rückstromspitze IRM über die Diode fließt. Sie beschreibt den ersten Teil des Reverse-Recovery-Vorgangs.

tr ist die Zeit zwischen dem Stromnulldurchgang und dem Erreichen der Rückstromspitze IRM. In dieser Zeit kann die Diode noch keine volle Sperrspannung übernehmen.

Im Skript gilt tr = 2 · QR / (−diF/dt). Damit hängt tr direkt von der Nachlaufladung und invers von der Stromabfallsteilheit ab.

IRM ist der maximale negative Strom während des Ausschaltvorgangs. Er entsteht, weil die gespeicherten Ladungsträger trotz bereits abgebautem Vorwärtsstrom noch entfernt werden müssen.

tf ist die Zeit nach Erreichen von IRM, in der der Sperrverzögerungsstrom auf den stationären Sperrstrom zurückgeht.

QF ist die Ladung, die während der Rückstromfallzeit tf entfernt wird. Für das idealisierte Dreiecksmodell gilt QF = IRM · tf / 2.

QRR ist die gesamte beim Ausschalten zu entfernende Ladung und setzt sich aus Nachlaufladung und Restladung zusammen: QRR = QR + QF.

trr ist die gesamte Reverse-Recovery-Zeit der Diode. Sie ist die Summe aus Spannungsnachlaufzeit und Rückstromfallzeit: trr = tr + tf.

Von der Sperrschichttemperatur, dem Durchlassstrom vor dem Ausschalten, der Stromsteilheit, der anliegenden Sperrspannung sowie vom Diodentyp und seiner Dotierung.

Dabei fällt der Rückstrom nach der Spitze sehr steil ab. Das führt zu hohen Strom- und Spannungsänderungen und kann starke Überschwinger sowie EMV-Probleme verursachen.

Beim soft-recovery nimmt der Rückstrom sanfter ab. Das reduziert Spannungsspitzen und parasitäre Schwingungen, was im praktischen Betrieb oft günstiger ist.

FRRS = tf / tr. Im idealisierten Verlauf beschreibt er das Verhältnis von Rückstromfallzeit zu Spannungsnachlaufzeit und damit die Weichheit des Recovery-Verhaltens.

Sie besitzt keinen pn-Übergang als Hauptventilwirkung, sondern einen Metall-Halbleiter-Übergang. Dadurch ist sie ein unipolares Bauelement mit nur Majoritätsträgern.

Weil keine Minoritätsträger und damit keine nennenswerte Speicherladung beteiligt sind. Beim Umschalten ist im Wesentlichen nur die kapazitive Umladung der Sperrschicht zu berücksichtigen.

Sie besitzen eine geringe Schleusenspannung und damit niedrige Durchlassverluste. Das macht sie besonders attraktiv bei niedrigen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen.

Als Gleichrichter in Schaltnetzteilen mit hohen Arbeitsfrequenzen und kleineren Sperrspannungen sowie als Freilauf- und Entkopplungsdioden in Verbindung mit MOSFETs.

Ein Stromrichter ist eine Einrichtung zum Stromrichten mittels Stromrichterventilen. Er setzt elektrische Energie zwischen Gleich-, Wechsel- und Drehstromsystemen in gewünschter Weise um.

Ein Stromrichterventil ist ein Funktionselement, das Strom nur in einer Richtung führt und periodisch zwischen leitendem und sperrendem Zustand wechselt. Es kann aus einem oder mehreren Halbleiterbauelementen bestehen.

Ein Stromrichterzweig ist der Teil einer Stromrichterschaltung, der die Funktion eines Stromrichterventils übernimmt. Er kann neben dem eigentlichen Ventil weitere Elemente wie Induktivitäten oder Kondensatoren enthalten.

Kommutierung ist die zyklische Stromübernahme von einem Stromrichterzweig auf einen anderen. Während der Kommutierungs- oder Überlappungszeit führen beide beteiligten Zweige gleichzeitig Strom.

Die Kommutierungsspannung beziehungsweise Kommutierungsblindleistung und die resultierende Kommutierungsinduktivität. Die resultierende Induktivität liegt in Reihe mit der Kommutierungsspannung.

In fremdgeführte und selbstgeführte Stromrichter. Fremdgeführte werden weiter unterteilt in netzgeführte und lastgeführte Stromrichter.

SCR bedeutet Silicon Controlled Rectifier und ist die englische Bezeichnung für den Thyristor.

Vor allem in netzfrequenten gesteuerten Eingangsgleichrichtern und im höchsten Leistungsbereich, etwa bei HGÜ-Anlagen oder lastkommutierten Umrichtern im MVA-Bereich.

Sehr hohe Spannungs- und Stromfestigkeit, einfache Leistungs- und Spannungsskalierung durch Reihenschaltung, hohe Zuverlässigkeit insbesondere bei Scheibenzellen und Press-Pack-Aufbau sowie geringe Kosten bei sehr hohen Leistungen.

Niedrige Schaltfrequenzen, begrenzte Regeldynamik und in lastkommutierten Antriebsstromrichtern die Beschränkung auf Synchronmaschinen.

Er besteht aus vier Schichten mit drei pn-Übergängen J1 bis J3. Im einfachsten Bild handelt es sich um eine p-n−-p-n+-Struktur mit den Anschlüssen Anode, Kathode und Gate.

J1 und J3 sind in Vorwärtsrichtung gepolt, J2 sperrt. Die Feldverteilung baut sich vor allem in der schwach dotierten n−-Basis auf.

Als Kopplung eines PNP- und eines NPN-Transistors in Basisschaltung. Dieses Zwei-Transistoren-Modell erklärt die regenerative Zündung des Thyristors sehr anschaulich.

Die Summe der Stromverstärkungsfaktoren muss eins erreichen: α1 + α2 = 1. Dann kippt das System in den leitenden Zustand und der Anodenstrom wird im Wesentlichen von der äußeren Schaltung bestimmt.

IL ist der minimale Durchlassstrom unmittelbar nach dem Zünden, der erreicht werden muss, damit der Thyristor sicher eingerastet bleibt, wenn der Gatestrom wieder verschwindet.

IH ist der kleinste Durchlassstrom, bei dem der Thyristor im leitenden Zustand bleibt. Fällt der Strom darunter, kann das Bauelement löschen.

UBO ist die Vorwärtsspannung, bei der der Thyristor bei gegebenem Steuerstrom vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht. Mit höherem Steuerstrom sinkt UBO.

Weil die Zündung dann unkontrolliert und lokal erfolgen kann. Besonders großflächige Thyristoren können dadurch durch lokale Stromüberlastung zerstört werden.

Zündung durch definierten Gatestrom, durch Überschreiten der Kippspannung, durch zu hohe du/dt in Vorwärtsrichtung, durch Lichtzündung und durch zu hohe Betriebstemperatur.

Weil nach dem Zünden zunächst nur ein kleiner Bereich in Gate-Nähe leitend ist. Die Zündausbreitung im Chip ist relativ langsam, sodass ein zu schnelles Stromanstiegen lokale Überlastung verursachen würde.

Eine zu steile Spannungsänderung lädt die Sperrschichtkapazität am Übergang J2 so schnell auf, dass ein interner Verschiebungsstrom entsteht. Dieser kann den Thyristor ungewollt zünden.

Nicht über das Gate, sondern durch Umpolen der treibenden Spannung beziehungsweise durch Stromkommutierung auf null und anschließende Rückwärtspolung. Dabei zeigt er ein Ausschaltverhalten ähnlich einer Leistungsdiode.

Die Freiwerdezeit ist die Mindestwartezeit zwischen dem Stromnulldurchgang vom Durchlass- in den Rückwärtsstrom und der frühest zulässigen Wiederkehr einer Vorwärtssperrspannung. Erst danach kann der Thyristor wieder sicher sperren.

Von Sperrschichttemperatur, Höhe des Durchlassstroms, Steilheit des Stromnulldurchgangs, Rückwärtssperrspannung sowie Steilheit und Höhe der wiederkehrenden Vorwärtssperrspannung.

Die Schonzeit der Schaltung muss immer größer sein als die Freiwerdezeit des eingesetzten Thyristors. Sonst droht ein ungewolltes Wiedereinschalten.

Der GTO kann über einen negativen Gatestrom aktiv abgeschaltet werden. Der Standard-Thyristor ist über den Gateanschluss normalerweise nur einschaltbar.

Etwa 3 bis 5. Das bedeutet, dass für das Abschalten sehr große negative Gate-Stromimpulse erforderlich sind.

Weil zum Abschalten ein sehr großer negativer Gate-Strom geliefert werden muss. Bei großen GTOs liegen diese Impulse in der Größenordnung von Hunderten bis Tausenden Ampere.

Wie beim Thyristor müssen di/dt beim Einschalten und du/dt der wiederkehrenden Spannung nach dem Abschalten begrenzt werden. Dazu werden häufig RCD-Netzwerke verwendet.

Nach dem Abschalten fließt wegen gespeicherter Ladung im Driftgebiet noch ein Schweifstrom. Dieser verursacht einen großen Teil der Abschaltverluste.

Sie ist ein klassisches Beispiel für Kommutierung mit Hilfsschaltung beziehungsweise Zwangskommutierung. Damit lässt sich das Abschalten von Thyristoren in Gleichstromstellern prinzipiell veranschaulichen.

1. Schalter auf Freilaufdiode, 2. Freilaufdiode auf aktiv einschaltenden Schalter, 3. Schalter auf Snubber- oder Entlastungskondensator, 4. Kondensator auf Freilaufdiode, 5. Schalter auf Schalter, 6. Kommutierungen mit resonanten oder schwingkreisgestützten Hilfsschaltungen.

Die harte Abschaltkommutierung vom aktiv abschaltenden Schalter auf die Freilaufdiode und die harte Einschaltkommutierung von der Freilaufdiode auf den aktiv eingeschalteten Schalter.

Während des Kommutierungsvorgangs wird der Laststrom als konstant angenommen. Deshalb kann der Ausgangskreis näherungsweise durch eine Konstantstromquelle ersetzt werden.

Alle parasitären und diskreten Induktivitäten werden in LK zusammengefasst, ohmsche Anteile werden vernachlässigt, die Zwischenkreisspannung gilt als konstant, Forward-Recovery-Effekte der Diode werden vernachlässigt und die Stromanstiegsflanke diT/dt wird vom Schalter bestimmt.

Sie gibt die maximal realisierbare Stromanstiegsgeschwindigkeit im Kommutierungskreis an. Je größer die Kommutierungsinduktivität LK, desto kleiner ist die maximal mögliche Stromrampe.

In t1 entstehen Einschaltverluste im Schalter, in t2 Ausschaltverluste in der Diode und in t3 Ausschaltverluste im Schalter.

Weil zur Stromleitung im normalen Betrieb nur Majoritätsladungsträger beitragen. Dadurch treten keine langsamen Speicherladungseffekte wie bei bipolaren Bauelementen auf.

Wird eine ausreichend positive Gate-Source-Spannung angelegt, bildet sich unter dem Gate im p-Gebiet ein n-Inversionskanal. Dieser verbindet die n-dotierten Bereiche und ermöglicht Elektronenstrom zwischen Source und Drain.

Weil die positive Gate-Spannung die ursprünglich p-dotierte Oberflächenzone so beeinflusst, dass sich dort ein n-artiger leitfähiger Kanal ausbildet. Der Leitungstyp an der Oberfläche wird also umgekehrt.

Weil interne Kapazitäten, Widerstände und Bondinduktivitäten das dynamische Verhalten stark beeinflussen. Sie prägen Schaltgeschwindigkeit, Überschwinger, Oszillationen und notwendige Gatewiderstände.

CGS als Gate-Source-Kapazität, CDS als Drain-Source-Kapazität und CGD als Gate-Drain-Kapazität. Besonders CGD ist als Miller-Kapazität für das Schaltverhalten wichtig.

Sie koppelt Spannungsänderungen am Drain auf das Gate zurück und ist damit für das Miller-Plateau, Schaltgeschwindigkeit und mögliche Störungen des Gatepotenzials wesentlich.

Den internen Gatewiderstand RG, den Drainwiderstand RD, den Wannenwiderstand RW und Bondungsinduktivitäten LB.

Innerhalb der Struktur entsteht zwischen Source und Drain eine intrinsische pin-Diode. Sie wirkt als eingebaute Freilaufdiode, hat aber oft ungünstige Schalteigenschaften.

Weil ihre Schalteigenschaften oft snappig sind und mit hoher Speicherladung sowie großen Rückstromspitzen verbunden sein können. Eine optimierte Schottky- oder Soft-Recovery-Diode verbessert dann das Gesamtverhalten.

Es besitzt einen ohmschen Bereich mit Widerstandscharakter und einen aktiven Bereich mit Abschnürung. Solange UGS kleiner als die Threshold-Spannung ist, befindet sich der MOSFET auf der Blockierkennlinie.

Das ist die Gate-Source-Spannung, ab der sich ein leitfähiger Inversionskanal auszubilden beginnt. Erst oberhalb davon kann der MOSFET gezielt Strom führen.

Sie beschreibt, wie stark sich der Drainstrom bei Änderung der Gate-Source-Spannung verändert. Sie ist das MOSFET-Pendant zur Stromsteuerwirkung eines bipolaren Transistors.

Weil für hohe Sperrspannungen das schwach dotierte Driftgebiet breiter und geringer dotiert sein muss. Dadurch wächst sein Widerstand stark an; dieses Verhalten wird als unipolar limit bezeichnet.

Im Driftgebiet werden zusätzliche p-dotierte Säulen eingebracht, die die n-Dotierung kompensieren. Dadurch kann die n-Dotierung insgesamt höher gewählt werden, ohne das Sperrverhalten zu verlieren, und der Durchlasswiderstand sinkt deutlich.

Die effektive n-Fläche für den Stromtransport wird durch die p-Säulen reduziert. Der geometrische Strompfad wird also teilweise eingeengt.

Sie besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Dadurch wird der Parallelbetrieb erleichtert, weil ein heißerer Transistor tendenziell weniger Strom übernimmt.

Er ist eine Weiterentwicklung des Leistungs-MOSFETs, bei der zusätzlich eine p-dotierte Kollektorschicht eingeführt wurde. Dadurch wird ein bipolarer Leitungsmechanismus mit Leitwertmodulation des Driftgebiets möglich.

Aus einem pnp-Bipolartransistor und einem n-Kanal-MOSFET. Der MOSFET steuert den Stromfluss, der bipolare Anteil verbessert das Durchlassverhalten durch Ladungsträgerinjektion.

Durch Injektion von Löchern in die ν-Zone wird das Driftgebiet leitwertmoduliert. Dadurch ist die Durchlassspannung bei gleichem Strom deutlich geringer als bei einem vergleichbaren Hochspannungs-MOSFET.

Weil im Driftgebiet gespeicherte Ladungsträger vorhanden sind, die entfernt werden müssen. Diese Speicherladungen verursachen Schweifstrom und erhöhen die Ausschaltverluste.

Weil beim Einschalten zunächst vor allem die MOS-Struktur und ihre Kapazitäten das Verhalten bestimmen. Die Leitwertmodulation des Driftgebietes baut sich erst transient auf.

Beim MOSFET erfolgt der Stromtransport unipolar über Elektronen. Beim IGBT setzt sich der Strom aus Elektronenstrom des MOSFET-Teils und Löcherstrom des bipolaren Teils zusammen.

Den NPT-IGBT, den PT-IGBT und als Weiterentwicklung den Field-Stop-IGBT.

Der PT-IGBT besitzt zusätzlich einen hochdotierten n+-Pufferlayer. Dieser beeinflusst den Feldverlauf und das Speicherverhalten.

Die Raumladungszone erfasst im positiven Sperrbetrieb das gesamte n−-Gebiet. Das elektrische Feld wird am Ende durch den Buffer-Layer abgebaut, wodurch ein trapezförmiger Feldverlauf entsteht.

Er besitzt eine hohe Robustheit, einen durchgehend positiven Temperaturkoeffizienten und ist daher für den Parallelbetrieb günstig. Außerdem ist sein Sperrverhalten sehr robust.

Durch eine vorgelagerte n-Zone erhöhter Dotierung wird wie beim PT-Typ ein trapezförmiger Feldverlauf erreicht. Dadurch kann das Driftgebiet verkürzt und die Durchlassverluste reduziert werden, ohne die Robustheit des NPT-Typs vollständig zu verlieren.

Den aktiven Bereich und den Sättigungsbereich. Im aktiven Bereich wird der Kollektorstrom wesentlich über die Gate-Emitter-Spannung gesteuert, im Sättigungsbereich bestimmt der äußere Stromkreis den Strom und das Bauelement zeigt UCE,sat.

Weil zusätzlich ein pn-Übergang beteiligt ist. Dadurch ergibt sich analog zur Diode eine Schleusenspannung, die beim MOSFET in dieser Form nicht vorhanden ist.

Der MOSFET schaltet schneller und eignet sich besser für hohe Schaltfrequenzen, hat aber bei hohen Spannungen höhere Leitverluste. Der IGBT hat meist bessere statische Durchlasseigenschaften bei mittleren und höheren Spannungen, dafür aber ungünstigeres Ausschaltverhalten.

Sie verwendet getrennte Ein- und Ausschaltpfade mit definierten Widerständen, um Lade- und Entladevorgang des Gates gezielt einzustellen. Damit lassen sich Schaltgeschwindigkeit, Überschwinger und EMV-Verhalten beeinflussen.

Weil Einschalt- und Ausschaltvorgang unterschiedliche Anforderungen haben. So kann man zum Beispiel schnell abschalten, aber kontrollierter einschalten oder umgekehrt.

Weil im Chip auf kleiner Fläche sehr hohe Verlustleistungsdichten auftreten. Gehäuse und Module müssen daher elektrische Isolation, geringe parasitäre Elemente und gleichzeitig wirksame Wärmeabfuhr gewährleisten.

Diskrete Bauelemente wie die TO-Familie, Leistungsmodule und Scheibenzellen.

Zuführung von Laststrom und Steuersignalen, zuverlässige Wärmeabführung und Schutz der Chips gegen Umwelteinflüsse.

Sie sind kompakt, beidseitig kühlbar, verzichten auf Bonddrähte und enthalten wenig starre Verbindungen aus Materialien mit stark unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Das verbessert Zuverlässigkeit und Lastwechselfestigkeit.

Die elektrische Isolation zum Kühlkörper muss anders gelöst werden, und die parasitären sowie thermomechanischen Eigenschaften sind meist ungünstiger als bei modernen isolierten Modulaufbauten.

DCB steht für Direct Copper Bonding. Dabei wird ein Kupfer-Keramik-Kupfer-Verbund als elektrisch isolierendes, aber thermisch gut leitendes Substrat verwendet.

Mehrere Chips können parallelgeschaltet werden, unterschiedliche Chiptypen wie IGBTs und Dioden lassen sich in einem Modul kombinieren, und zusätzlich können Sensoren oder Treiberschaltungen integriert werden.

Aus Chip, erster Lötung, DCB-Substrat mit Kupfer-Keramik-Kupfer, zweiter Lötung, Grundplatte aus Kupfer oder AlSiC, Wärmeleitpaste und Kühlkörper.

Aluminiumoxid Al2O3 und Aluminiumnitrid AlN.

Weil sie eine günstigere Kombination aus Wärmeleitfähigkeit und angepasstem thermischem Ausdehnungsverhalten besitzen. Dadurch steigen Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Lastwechselfestigkeit.

Weil unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturwechseln mechanische Spannungen in Lötungen, Substraten und Bondverbindungen erzeugen. Das ist eine Hauptursache für Alterung und Lastwechselfehler.

Zum Beispiel VRRM beziehungsweise Sperrspannung, IFAV und IFRMS, maximale Sperrschichttemperatur, Sperrströme, Durchlasskennlinie, Reverse-Recovery-Daten wie QRR oder trr sowie thermische Widerstände.

Weil das reale Verhalten stark von Temperatur, Strom, di/dt, Schaltfrequenz und der konkreten Schaltung abhängt. Man muss daher statische, dynamische und thermische Daten gemeinsam betrachten.

Weil daraus Durchlassverluste, thermische Belastung und Bauelementdimensionierung folgen. Der Mittelwert ist oft für Gleichanteile relevant, der Effektivwert für ohmsche Erwärmung und Strombelastbarkeit.

Weil dadurch gezeigt wird, wie man aus Theorie, Kennlinien und Datenblattwerten konkrete Verlust-, Recovery- und Kommutierungsrechnungen für reale Bauelemente ableitet.