Thyristoren - bewährte Lösung für Energie-Management

Bereits seit den späten 1950er Jahren gibt es Thyristoren. Diese Halbleiter können durch Anlegen eines Steuerstroms in einer Periode positiver Spannung über dem Gerät eingeschaltet werden. Sie schalten sich aus, sobald sich der Laststrom umkehrt. Daher werden Thyristoren häufig in Anwendungen eingesetzt, die Wechselströme steuern, unter anderem im Bereich erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie.

Die Technologie ist gut etabliert und wird trotz der Entwicklung von Hochleistungs-IGBTs und Siliziumkarbid-MOSFETS weiterhin für bestimmte Anwendungen eingesetzt. Der Thyristor, auch siliziumgesteuerter Gleichrichter genannt, ist ein regeneratives Gerät mit drei Anschlüssen und vier Schichten. Die drei wesentlichen Betriebsarten sind:

• Vorwärtssperrung mit einer Spannung VF an der Anode, die im Verhältnis zur Kathode positiv ist
• Rückwärtssperrung, wobei die Spannung VF an der Anode im Verhältnis zur Kathode negativ ist
• Vorwärtsleitung mit Stromfluss von der Anode zur Kathode

Um den Thyristor von der Vorwärtssperrung in den Leitmodus zu schalten, ist ein relativ niedriger Gate-Stromimpuls IG erforderlich. Dieser muss vom Gateanschluss zum Kathodenanschluss fließen. Ein typischer Gate-Impuls beträgt 1 A aus einer 20-V-Quelle und dauert einige Dutzend Mikrosekunden. Innerhalb weniger Mikrosekunden nach dem ersten Anlegen des Gatestroms beginnt der Thyristor, sich einzuschalten.

Sobald der Anodenstrom über den Wert des Verriegelungsstroms hinaus angestiegen ist, kann der Gate-Impuls entfernt werden, und der Thyristor bleibt im leitenden Zustand, sofern der Anodenstrom den Haltestrom übersteigt. Dies setzt eine sehr langsame Abklingrate des Stroms voraus. In der Regel fällt der Strom jedoch sehr schnell durch den Nullpunkt und beginnt sich umzukehren. In diesem Fall, der in erster Linie von der Stromänderungsrate di/dt abhängt, bleibt der Thyristor nach dem Nulldurchgang des Stroms für eine kurze Zeit eingeschaltet, bevor er die Rückwärtsspannung blockiert.

Die gespeicherte Ladung, die diesem Umkehrstrom entspricht, ist wichtig für die Geräteverluste und die Auslegung des Snubbers zur Dämpfung von Schwingungen und Überspannungsspitzen. Außerdem muss unter diesen Bedingungen eine Mindestzeit vergehen, bevor der Thyristor die Vorwärtsspannung sperren kann. Diese Zeit wird als kommutierte Abschaltzeit bezeichnet. Maximale Spannungs- und Stromwerte und ihre Ableitungen nach der Zeit, dv/dt und di/dt, stellen weitere Einschränkungen für den Thyristorbetrieb dar. Diese sind beim praktischen Einsatz zu beachten.

Ausführliche Informationen zu Thyristoren gibt es hier.