Thyristoren: Typen, Betrieb und die Leistung von Silicium-gesteuerten Gleichrichtern (SCRs)

Thyristoren sind eine Familie bipolar-leitender Halbleiterbauelemente, die aus abwechselnden N-P-N-P-Schichten aufgebaut sind. Die Familie umfasst silicium-gesteuerte Gleichrichter (SCRs), TRIACs, Gate-Turn-Off-Schalter (GTOs), silicium-gesteuerte Schalter (SCSs), AC-Dioden (DIACs), Unijunction-Transistoren (UJT) und programmierbare Unijunction-Transistoren (PUT). Dieser Artikel konzentriert sich auf den SCR, während der GTO kurz erwähnt wird.

1950 schlug Shockley den vierlagigen Dioden-Thyristor vor. General Electric realisierte das Design später, und SCRs haben sich seitdem entwickelt, um Leistungsniveaus von wenigen Watt bis zu mehreren Megawatt zu bewältigen. Die kleinsten Einheiten – verpackt wie Kleinsignaltransistoren – schalten einige hundert Milliampere bei etwa 100 VAC. Die größten kommerziellen Bauelemente messen 172 mm im Durchmesser und können 5.600 A bei 10.000 V handhaben. Hochleistungs-SCRs können auf Wafern mehrerer Zoll Durchmesser gefertigt werden.

Silicium-gesteuerter Gleichrichter (SCR)

Der SCR ist eine vierlagige Diode, die einen Gate-Anschluss enthält. Wird ein positiver Gate-Impuls angelegt, wird das interne NPN-PNP-Transistorpaar in Leitung versetzt. Positive Rückkopplung zwischen den beiden Transistoren hält den Ein-Zustand auch nach Entfernen des Gate-Impulses aufrecht. Das Bauelement leitet weiter, solange die Anode positiv vorgespannt bleibt. Bei Gleichstrom ist die Leitung dauerhaft; bei Wechselstrom oder gepulstem Gleichstrom stoppt sie, wenn die Anodenspannung auf null fällt – dies ist der Kommutationspunkt.

Die Dotierstruktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Die Kathode (N⁺) und Anode (P⁺) sind stark dotiert, während die mittleren N⁻- und P-Schichten schwach dotiert sind und die Transistorbasen bilden. Bei Hochleistungs-SCRs kann diese Struktur einen gesamten Wafer überspannen.

Über Silicium hinaus befinden sich Siliciumkarbid (SiC) SCRs in Entwicklung. SiC bietet überlegene Wärmeleitfähigkeit – nur von Diamant übertroffen – was entweder kleinere Bauformen oder höhere Leistungsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen ermöglicht.

Wichtigste Erkenntnisse

• SCRs sind die häufigsten vierlagigen Thyristoren.
• Ein positiver Gate-Impuls löst Leitung aus, die anhält, bis die Anodenspannung auf null fällt.
• SCRs eignen sich hervorragend für Wechselstrom- oder gepulste Gleichstromanwendungen, wo kontinuierliche Leitung erforderlich ist.
• Der GTO kann mit einem negativen Gate-Impuls abgeschaltet werden.
• SCRs können bis zu 5,6 kA und 10 kV bewältigen, was Megawatt-Leistung entspricht.

Verwandte Ressourcen

• Thyristoren Arbeitsblatt