Leistungselektronik für Bachelors: Grundlagen und praktische Anwendungen : mit 83 Beispielen und 75 Übungen
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München
Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag
[2015]
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Inhalt
Kl Einführung in die Leistungselektronik 13
1 1 Grundlagen 13
1 2 Eigenschaften des Schaltbetriebs 15
121 Gleich-, Wechsel-, Mischgrößen 16
122 Arithmetischer Mittelwert 17
123 Effektivwert 19
124 Gesamteffektivwert, Klirrfaktor, Formfaktor und Welligkeit 22
125 Überschlägige Berechnung bei einfachen Kurvenverläufen 24
1 3 Leistungsbilanz bei Stromrichtern 29
131 Leistungsfaktor bei sinusförmigen Größen 29
132 Fourier-Analyse 31
133 Blindleistung bei Stromrichtern 32
1 4 Betriebsquadranten 38
1 5 Lösungen 39
o Leistungshalbleiter 44
2 1 Grundlagen der Halbleiterphysik 44
211 Eigenleitfähigkeit 47
212 Dotierung 48
213 Feld-und Diffusionsstrom 50
214 Kombination von P- und N-dotierten Halbleitern zum
PN-Übergang 50
2141 Raumladungszone beim stromlosen PN-Übergang 51
2142 Raumladungszone beim PN-Übergang in
Durchlassrichtung 53
2143 Raumladungszone beim PN-Übergang in
Sperrrichtung 53
2 2 Neue Halbleitermaterialien 54
221 Halbleiter mit großem Bandabstand 54
222 Anwendungsgebiete 56
2 3 Vergleich von idealen und realen Schaltern 56
2 4 Diode 60
2 5 Thyristor 64
2 6 Transistoren 66
261 MOSFET (Unipolar-Transistor) 67
262 Bipolar-Transistor 70
8
Inhalt
263 IGBT 71
264 Gemeinsamkeiten von Transistoren 72
2 7 Abschaltbare Thyristoren 75
271 Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) 75
272 Integrated-Gate-Commutated-Thyristor (IGCT) 75
2 8 Schutz von Leistungshalbleitern 76
281 Spannungsbelastbarkeit 76
282 Überspannungsschutz 77
283 Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss 82
284 Ein-und Ausschaltentlastung bei Transistoren 83
2 9 Erwärmung und Kühlung von Leistungshalbleitern 86
291 Durchlassverluste bei Thyristoren und Dioden 87
292 Verluste bei Transistoren 89
2921 Durchlassverluste 89
2922 Schaltverluste 91
293 Wärmetransport und Auslegung der Kühlung 92
2 10 Datenblattangaben für Dioden und Transistoren 98
2 10 1 Verwendete Kurzzeichen und Indizes in Datenblättern 98
2 10 2 Angabe von Kenndaten und Grenzwerten 100
2 10 3 Gleichrichterdioden 101
2 10 3 1 Grenzwerte (Absolute maximum ratings) 101
2 10 3 2 Kenndaten (Characteristics) 103
2 10 4 Thyristoren 104
2 10 4 1 Grenzwerte 104
2 10 4 2 Kenndaten 104
2 10 5 Transistormodule 106
2 10 5 1 Grenzwerte für Transistor-Module 107
2 10 5 2 Kenndaten 108
2 11 Lösungen 113
Q Stromrichterschaltungen mit Dioden und Thyristoren 118
3 1 Einpuls-Gleichrichter Ml 118
311 Aufbau der Schaltung 118
312 Funktionsweise der ungesteuerten MlU-Schaltung 119
313 Funktionsweise der gesteuerten M1 C-Schaltung 121
3 2 Zweiphasige Mittelpunktschaltung M2 124
321 Aufbau und Funktionsweise 124
322 Stromglättung 128
323 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb 132
3 3 Dreiphasige Mittelpunktschaltung M3 133
331 M3-Schaltung bei ohmscher Last 133
3311 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb 139
3312 Steuergesetz im Lückbetrieb 140
332 M3-Schaltung bei idealer Glättung 141
333 Glättungsdrossel 145
334 Wechselrichterbetrieb 147
335 Auswirkung und Berechnung der Kommutierung 149
Inhalt
9
3351 Kommutierung bei netzgeführten Stromrichtern 149
3352 Auswirkung der Überlappung 153
3353 Wechselrichtergrenze 156
3354 Gleichspannungsersatzschaltbild für Mittelwerte 157
336 Mittelpunktschaltungen mit verbundenen Anoden 159
337 Netzströme und Transformatorbauleistung 161
3 4 Brückenschaltungen netzgeführter Stromrichter 163
341 Vollgesteuerte Drehstrombrückenschaltung B6C 164
342 Brückenschaltung B2C 168
3 5 Umkehrstromrichter 171
3 6 Lösungen 174
fl Gleichstromsteller 182
4 1 Einführung 182
4 2 Tiefsetzsteller 185
421 Grundschaltung 185
422 Realer Tiefsetzsteller 187
423 Dimensionierung des LC-Filters 188
424 Stromwelligkeit 189
425 Betrieb mit lückendem Strom 193
4 3 Hochsetzsteller 198
431 Grundlegende Arbeitsweise 198
432 Betrieb mit lückendem Strom 202
4 4 Mehrquadrantensteller 203
441 Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr 204
442 Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr 206
4 5 Vollbrücke 212
451 Allgemeine Einführung 213
452 Pulsweitenmodulation 216
4521 Pulsweitenmodulation mit zwei Spannungsniveaus
(PWM2) 217
4522 PWM mit drei Spannungsniveaus (PWM3) 220
4 6 Ansteuerschaltungen für MOS-Transistoren 231
461 Grundlagen 231
462 CMOS-Gatter 233
463 Gegentaktstufe 234
464 Beschleunigtes Abschalten 234
465 Treiber-ICs 235
466 Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager 236
4 7 Lösungen 240
s Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis 252
5 1 Einführung 252
5 2 Einphasige spannungseinprägende Wechselrichter 255
521 Halbbrücke mit Grundfrequenztaktung 255
522 Vierquadrantensteller mit Grundfrequenztaktung 258
10
Inhalt
523 Steuerverfahren zur Verstellung von Frequenz und Amplitude 261
5231 Pulsamplitudenmodulation 261
5232 Vierquadrantensteller mit
Unterschwingungsverfahren 261
524 Anwendungen 273
5 3 Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter 273
531 Grundlegender Aufbau und Steuerverfahren 273
5311 Grundfrequenztaktung 274
5312 Unterschwingungsverfahren 282
5313 Raumzeigermodulation 289
5314 WeitereSteuerverfahren 296
5315 Flattop-Verfahren 298
532 Ergänzende Komponenten 299
5 4 Einsatzgebiete und Anwendungen 300
541 Elektronische Antriebstechnik 301
542 Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energien 302
5 5 Lösungen 304
Q Mehrpunkt-Wechselrichter 309
6 1 Grundlagen und Schaltungsvarianten 309
6 2 Dreipunkt-Wechselrichter 313
621 Einphasiger Dreipunkt-Halbbrücken-Wechselrichter 314
6211 Pulsweitenmodulation der Dreipunkt-Halbbrücke 318
6212 Steuergesetz und Ausgangsspannung 322
6213 Spannungs-und Stromverläufe bei der PWM 322
6214 Bedeutung der Klemmdioden 323
622 Dreiphasiger Dreipunkt-Wechselrichter 324
6221 Schaltzustände und Ausgangsspannungen 325
Ö 222 Spannungsraumzeiger 329
Ö 223 Modulationsverfahren und Steuergesetz 333
Ö 224 Auswirkung von Verriegelungszeiten auf die
Ausgangsspannung 334
6 3 Lösungen 338
WM Resonantes Schalten 343
7 1 Motivation 343
7 2 Grundlegende Analyse von LC-Kreisen 346
7 3 Grundstrukturen für weiches Schalten 355
7 4 Tiefsetzsteller mit ZCS 359
7 5 Tiefsetzsteller mit ZVS 366
7 6 Lösungen 370
Inhalt
11
m Fachbegriffe Deutsch-Englisch/Englisch-Deutsch 373
fcjJJ Formelzeichen und Abkürzungen 380
Glossar 384
P Literatur 387 |
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