Hybrides Synchroneinschaltgerät für Hochstromanwendungen

Das sieht nach einer sehr geringen thermischen Belastung für den Thyristor aus. Wenn man bedenkt, daß der Thyristor ein maximales Lastintegral von 32 MA2s im Störfall verkraftet, so versteht man schnell, daß bei den hier vorliegenden 7.5 MA2s die Temperaturgrenze noch lange nicht erreicht wird. Dazu sei noch einmal erwähnt, dass bei schnellen thermischen Lastwechseln ab etwa 50 K innerhalb von nur 10 ms nur eine begrenzte Lebensdauer des Halbleiters zu erwarten ist ([19]). In [19] heißt es wörtlich: „Aus Betriebserfahrungen und Versuchen an Halbleitersystemen geht hervor, daß im Dauerbetrieb ein Wert von ∆t ≈ 55°C nicht überschritten werden sollte. Durch weiter zunehmende Temperaturänderung wird die Lastwechselbeständigkeit spürbar reduziert.“ Vereinzelt auftretende schnelle Temperaturschwankungen bis 50 K sind aber in dieser Hinsicht auch nicht kritisch. In [16] wird festgestellt, daß vereinzelte Temperatursprünge auf über 150°C die Lebensdauer eines Halbleiters beeinträchtigen oder diesen gar sofort beschädigen. Das heißt aber nicht, daß sich Temperaturen unter 150°C nicht auch schon negativ auswirken können. Besonders bei schnellen Temperatursprüngen kann es zu mikroskopischen Sprüngen im Halbleiter kommen. Mathematische Temperaturberechnungen ausgehend vom simulierten Stromverlauf werden für folgende Thyristoren durchgeführt: ABB 5STP52U5200 ABB 5SP42U6500 Eupec T2851N Eupec T3401N Eupec T4003N 52 TOH Alle Temperaturverläufe zu präsentieren würde wieder den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Daher sollen kurz die Ergebnisse beschrieben werden: Bei keinem der genannten Halbleitertypen wird beim Einschalten eines Effektivstromes von 50 kA die erlaubte Obergrenze der Sperrschichttemperatur überschritten, egal, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der Halbwelle eingeschaltet wird. Beim Eupec T2851N wird mit fast 100°C die höchste Temperatur erreicht (Abb. 9.10). Diese liegt aber immer noch um 20 K unter der maximal erlaubten Sperrschichttemperatur. [...]

Man erkennt den Leistungsverlauf über der Zeit im Thyristor. Die Einschaltverlustleistung liegt bei dem gegebenen Wert für die Stromsteilheit am Beginn des Stromflusses um Größenordnungen unter der Durchlassverlustleistung. Die gesamte Verlustleistung wird zur Gänze im Wärme umgesetzt. Näherungsweise wird davon ausgegangen, daß die Leistung gleichmäßig auf der Halbleiterfläche verteilt ist. Das stimmt nicht ganz, weil v. a. beim Zünden des Halbleiters nur eine kleine Fläche leitend ist, welche sich dann ausbreitet. Dies betrifft aber nur wenige 100 µs und wirkt sich auf die erreichte Höchsttemperatur fast nicht aus, weil die Leistung zu diesem Zeitpunkt relativ klein ist und die Wärmeenergie bis zum Erreichen der Höchsttemperatur nach einigen ms schon auf die ganze Fläche verteilt ist [15]. Als nächstes wird die in den Datenblättern gegebene thermische Sprungantwort definiert. Sie hat die allgemeine Form [...]

bisher geflossenen Stromes. Man sieht, dass in diesem Fall nur etwa 7.4 MA2s in ca. 10 ms aufgenommen werden müssen. Das ändert sich aber, wenn man einen anderen Wert für die Kommutierungsinduktivität L3 + L2 einsetzt oder wenn der Schalter prellt und den Strom vorübergehend wieder in den Halbleiter zurücktreibt. Weitergehende Simulationen zeigen: Bei einer verdreifachten Induktivität (wieder Annahme L2 = L3) verdoppelt sich in etwa die Energie, die insgesamt im Thyristor verbraucht wird. Auch die Stromflussdauer im Halbleiter steigt etwas. Bei einer Halbierung der Induktivitäten (was in der Praxis unrealistisch ist), sinkt das Integral auf etwa 4.4 MA2s. Was das Prellen betrifft, so kann eine kurze Abhebung (> 1ms) ebenfalls die Belastung für den Halbleiter vervielfachen, wenn sie im ungünstigsten Moment des Spitzenstromes geschieht und die Lichtbogenspannung groß genug ist (>25V), um den Strom in kurzer Zeit wieder in den Halbleiter zu treiben. Eine derartige Situation wird im Kapitel 12 durch die Ergebnisse eines vom Autor durchgeführten Experiments verifiziert. Für folgende in Frage kommende Thyristoren werden Simulationen durchgeführt: ABB 5STP52U5200 ABB 5SP42U6500 Eupec T2851N Eupec T3401N Eupec T4003 N 52 TOH BBC CS1702-42IO1 (siehe Kapitel 12) [...]