Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme
Gespeichert in:
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|---|---|
| Format: | Elektronisch E-Book |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Fachmedien Wiesbaden
2017
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| Ausgabe: | 8. Aufl. 2017 |
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| Beschreibung: | 1 Online-Ressource (XVI, 416 S. 568 Abb) |
| ISBN: | 9783658169114 |
| DOI: | 10.1007/978-3-658-16911-4 |
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| adam_text | Titel: Grundkurs Leistungselektronik
Autor: Specovius, Joachim
Jahr: 2017
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Was ist Leistungselektronik ?..............................................................................................1
2 Grundlagen...........................................................................................................................3
2.1 Die elektrische Leitfähigkeit......................................................................................3
2.1.1 Eigenleitung.....................................................................................................5
2.1.2 Störstellenleitung.............................................................................................6
2.2 Der pn-Übergang..........................................................................................................7
2.2.1 Der pn-Übergang mit äußerer Spannung.........................................................9
2.2.2 Der pn-Übergang im Durchlassbetrieb............................................................9
2.2.3 Der pn-Übergang in Sperrrichtung beansprucht............................................11
2.2.4 Die Durchbruchmechanismen des pn-Überganges........................................12
2.2.5 Die optimale Gestaltung des pn-Übergangs..................................................13
3 Dioden..................................................................................................................................15
3.1 pn-Diode....................................................................................................................15
3.1.1 Modellbildung einer realen pn-Diode...........................................................16
3.1.2 Die Verlustleistungsberechnung.....................................................................17
3.2 pin-Diode...................................................................................................................18
3.2.1 Das Sperrverhalten........................................................................................19
3.2.2 Das Durchlassverhalten.................................................................................19
3.2.3 Das Schaltverhalten.......................................................................................21
3.2.3.1 Einschalten...................................................................................22
3.2.3.2 Ausschalten...................................................................................22
3.2.3.3 Schaltverluste...............................................................................24
3.2.4 Reihenschaltung............................................................................................26
3.2.5 Parallelschaltung............................................................................................27
3.2.6 Einsatzkriterien für Dioden...........................................................................29
3.3 Solarzelle....................................................................................................................30
4 Transistoren........................................................................................................................33
4.1 Bipolartransistor.........................................................................................................3.3
4.1.1 Aufbau...........................................................................................................33
4.1.2 Wirkungsweise..............................................................................................34
4.1.3 Schaltverluste................................................................................................36
VIII___________________________________________________________Inhaltsverzeichnis
4.1.4 Der bipolare Leistungstransistor....................................................................38
4.1.5 Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters.....................................39
4.1.6 Nichtsättigungsbetrieb (aktiver Bereich, wBC 0).......................................39
4.1.7 Quasisättigungsbetrieb (krc 0)..................................................................40
4.1.8 Übersättigungsbetrieb....................................................................................40
4.1.9 Darlington-Transistoren.................................................................................42
4.1.10 Vergleich Bipolartransistor - Schalter..........................................................43
4.2 Betriebsarten.............................................................................................................44
4.2.1 Schalten einer ohmsch-induktiven Last.........................................................45
4.2.2 Schalten eines eingeprägten Stromes............................................................48
4.2.2.1 Weiches Schalten..........................................................................48
4.2.2.2 Hartes Schalten.............................................................................49
4.2.3 RCD-Beschaltung..........................................................................................50
4.3 Der IG-Feldeffekttransistor (MOSFET)....................................................................51
4.3.1 Aufbau...........................................................................................................51
4.3.2 Die Kennlinie.................................................................................................55
4.3.3 Die Gatekapazität..........................................................................................56
4.3.4 Neuere Entwicklungsrichtungen...................................................................57
4.4 Der IG-Bipolar Transistor (IGBT).............................................................................58
4.4.1 Aufbau...........................................................................................................58
4.4.2 Durchlasseigenschaften.................................................................................59
4.4.3 Das Schaltverhalten.......................................................................................60
4.4.3.1 Einschalten...................................................................................60
4.4.3.2 Ausschalten...................................................................................62
4.4.4 Sperr-und Blockierverhalten.........................................................................64
4.4.5 Neuere Entwicklungsrichtungen...................................................................65
4.5 Treiberschaltungen....................................................................................................66
4.5.1 Gateanschluss................................................................................................69
4.5.2 Ausführung einer IGBT-Ansteuerung..........................................................70
4.5.2.1 Ansteuerung eines Halbbrückenmoduls.......................................71
4.5.2.2 Impulslogik...................................................................................72
4.5.2.3 Ventilbelastung.............................................................................74
4.6 Aufbau- und Verbindungstechnik..............................................................................75
4.6.1 Problematik....................................................................................................75
4.6.2 Gehäuseformen..............................................................................................76
4.6.2.1 Diskrete Bauelemente...................................................................76
4.6.2.2 IGBT-Leistungsmodule................................................................77
Inhaltsverzeichnis____________________________________________________________IX
4.6.3 Eigenschaften von Leistungsmodulen...........................................................78
4.6.3.1 Lastwechselfestigkeit..................................................................78
4.6.3.2 Verhalten bei Moduldefekt..........................................................80
4.6.3.3 Parasitäre Induktivitäten...............................................................80
4.6.3.4 EMV-Verhalten.............................................................................80
5 Thyristoren.........................................................................................................................81
5.1 Aufbau und Wirkungsweise.......................................................................................81
5.2 Kennlinie....................................................................................................................83
5.3 Das Einschaltverhalten...............................................................................................83
5.3.1 Überschreiten der zulässigen Blockierspannung...........................................83
5.3.2 Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit.........................................84
5.3.3 Gatestromzündung.........................................................................................84
5.4 Ausschalten................................................................................................................87
5.4.1 Netzgefuhrter Betrieb....................................................................................87
5.4.2 Selbstgeführter Betrieb..................................................................................87
5.5 Ausfuhrungsformen...................................................................................................90
5.5.1 Amplifying Gate-Struktur.............................................................................90
5.5.2 Zweirichtungs-Thyristoren............................................................................90
5.5.3 Der asymmetrisch sperrende Thyristor..........................................................91
5.5.4 Der lichtzündbare Thyristor...........................................................................91
5.6 Abschaltbarer Thyristor (GTO)..................................................................................91
5.6.1 Der asymmetrisch sperrende GTO................................................................91
5.6.2 Ansteuerung...................................................................................................92
5.6.2.1 Einschalten...................................................................................92
5.6.2.2 Ausschalten...................................................................................92
5.6.3 Betriebsbedingungen für einen GTO.............................................................93
5.6.4 DerlGCT.......................................................................................................94
5.7 Auswahl von Leistungsbauelementen........................................................................94
6 Wärme-Management.........................................................................................................95
6.1 Die Verlustleistung.....................................................................................................95
6.2 Das thermische Ersatzschaltbild................................................................................97
6.2.1 Der innere Wärmewiderstand Äth,JC..............................................................98
6.2.2 Der äußere Wärmewiderstand Rth,CA............................................................98
6.2.3 Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers........................................................99
6.2.4 Die Wärmekapazität Cth..............................................................................100
Inhaltsverzeichnis
6.3 Kühlmedien..............................................................................................................104
6.3.1 Luftkühlung.................................................................................................104
6.3.2 Wasserkühlung.............................................................................................105
6.3.3 Siedekühlung...............................................................................................105
7 Stromrichterschaltungen.................................................................................................107
7.1 Grundfunktionen......................................................................................................107
7.2 Kennzeichnung von Stromrichterschaltungen.........................................................107
7.3 Einteilung nach der inneren Wirkungsweise............................................................108
7.4 Leistungssteuerverfahren.........................................................................................109
7.5 Mittelpunktschaltung Ml.........................................................................................109
7.5.1 Bauleistung des Transformators..................................................................113
7.5.2 Kapazitive Last............................................................................................114
7.5.3 Ohmsch-induktive Last................................................................................116
7.5.4 Ohmsch-induktive Last mit Freilaufdiode...................................................117
7.6 Wechsel wegschaltung Wl........................................................................................118
7.6.1 Stellerbetrieb mit ohmscher Last.................................................................119
7.6.2 Stellerbetrieb mit ohmsch-induktiver Last.................................................121
7.6.3 Schaltbetrieb mit ohmsch-induktiver Last...................................................122
8 Wechselstromschaltungen...............................................................................................123
8.1 Die Mittelpunktschaltung M2U...............................................................................123
8.2 Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C..............................................................124
8.2.1 Die Wirkungsweise des Steuergenerators....................................................124
8.2.2 Gleichspannungsbildung.............................................................................125
8.2.2.1 OhmscheLast.............................................................................125
8.2.2.2 Ohmsch-induktive Last.............................................................126
8.2.2.3 Aktive Last................................................................................128
8.2.3 Ventilbelastung...........................................................................................131
8.2.4 Trafo- und Netzgrößen................................................................................132
8.2.5 Bemessung einer Glättungsinduktivität.......................................................133
8.2.6 Die Kommutierung......................................................................................135
8.2.6.1 Überlappung...............................................................................136
8.2.6.2 Die induktive Gleichspannungsänderung...................................139
8.3 Die Brückenschaltung B2........................................................................................141
8.3.1 Die halbgesteuerte Brückenschaltung B2H.................................................142
8.3.2 Ventilbelastung............................................................................................144
8.3.3 Bauleistung des Transformators..................................................................144
Inhaltsverzeichnis___________________________________________________________XI
9 Drehstromschaltungen.....................................................................................................145
9.1 Die Mittelpunktschaltung M3..................................................................................145
9.1.1 Gleichspannungsbildung.............................................................................146
9.1.1.1 Ohmsche Last............................................................................147
9.1.1.2 Aktive Last.................................................................................149
9.1.2 Ventilbelastung............................................................................................150
9.1.2.1 Spannung....................................................................................150
9.1.2.2 Strom..........................................................................................152
9.1.3 Netzstrom....................................................................................................153
9.1.4 Die Kommutierung.....................................................................................154
9.1.4.1 Einfluss auf die Gleichspannung................................................155
9.1.4.2 Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls.................157
9.1.4.3 Einfluss auf die Ventilspannung.................................................159
9.2 Die Brückenschaltung B6........................................................................................160
9.2.1 Gleichspannungsbildung.............................................................................160
9.2.2 Leitzustände der Ventile..............................................................................161
9.2.3 Steuerkennlinie............................................................................................163
9.2.4 Stromrichtereingangsstrom..........................................................................164
9.2.5 Netzstrom....................................................................................................164
9.2.6 Bauleistung des Transformators.................................. ................................165
9.3 Zündimpulse............................................................................................................166
9.3.1 Gleichspannungsbildung.............................................................................168
9.3.2 Einfluss der Kommutierungen.....................................................................171
9.3.3 Auswirkungen nicht idealer Glättung auf die Gleichspannung...................174
9.4 12-pulsige Schaltungen...........................................................................................176
9.4.1 Stromrichter-Reihenschaltung.....................................................................177
9.4.2 Stromrichter-Parallelschaltung....................................................................178
9.5 Höherpulsige Schaltungen.......................................................................................180
10 Netzrückwirkungen..........................................................................................................181
10.1 Blindleistungsverhalten............................................................................................181
10.1.1 Die Kennlinie der Steuerblindleistung........................................................182
10.1.2 Oberschwingungsblindleistung...................................................................183
10.2 Stromoberschwingungen..........................................................................................184
10.2.1 Stromglättung..............................................................................................184
10.2.2 Spannungsglättung......................................................................................187
XII___________________________________________________________Inhaltsverzeichnis
10.2.2.1 Passive PFC-Schaltung...............................................................189
10.2.2.2 Aktive PFC-Schaltung................................................................190
10.2.2.3 Vier Quadranten Steller..............................................................192
10.3 Spannungsoberschwingungen..................................................................................195
10.3.1 B2-Schaltung...............................................................................................195
10.3.2 B6-Schaltung..............................................................................................197
11 Lastgeführte Stromrichter..............................................................................................203
11.1 Schwingkreiswechselrichter....................................................................................203
11.1.1 Betrieb mit eingeprägter Gleichspannung..................................................203
11.1.2 Betrieb mit eingeprägtem Gleichstrom......................................................206
11.2 Vergleich der Wechselrichtertypen...........................................................................208
11.3 Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Ventilen.........................................208
11.3.1 Strom- und spannungsloses Schalten..........................................................210
11.3.2 Anwendungsbeispiel zum stromlosen Schalten (ZCS)................................211
12 Selbstgeführte Stromrichter............................................................................................213
12.1 Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR)...................................................213
12.1.1 Mittelpunktschaltung mit AC-seitigem Mittelpunkt..................................214
12.1.2 Ausführungsbeispiel mit Thyristorschalter.................................................215
12.1.3 3-phasige Brückenschaltungen....................................................................218
12.1.3.1 Betrieb mit passiver Last...........................................................220
12.1.3.2 Betrieb mit einer Drehfeldmaschine...........................................220
12.1.3.3 Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung...................................222
12.2 Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (IWR)......................................................224
12.2.1 Prinzip..........................................................................................................224
12.2.2 Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung....................................................227
12.2.2.1 Die Wechselrichtervorladung....................................................230
12.2.2.2 Anfahrverhalten.........................................................................231
13 Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR.....................................................................233
13.1 Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter)...............................................234
13.1.1 Schaltfunktionen..........................................................................................235
13.1.2 Kurzzeit-Mittelwert.....................................................................................236
13.1.3 Der Modulator.............................................................................................237
13.1.4 Modulationsfunktion..................................................................................238
13.1.5 Aussteuerung...............................................................................................239
Inhaltsverzeichnis__________________________________________________________XIII
13.1.6 1-phasige Brückenschaltung.......................................................................240
13.1.6.1 Grundfrequenztaktung................................................................241
13.1.6.2 Schwenksteuerung......................................................................242
13.1.6.3 Pulsweitenmodulation................................................................243
13.1.7 3-phasige Brückenschaltung........................................................................244
13.1.7.1 Die Spannungsbildung................................................................245
13.1.7.2 Der Zwischenkreisstrom............................................................248
13.2 Schaltungen in Mehrpunkttechnik (Multi-Level-Inverter)......................................252
13.2.1 Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter)....................................254
13.2.1.1 1-phasige Brückenschaltung.......................................................257
13.2.1.2 3-phasige Brückenschaltung.......................................................258
13.2.2 Schaltungen in Vierpunkttechnik (4-level-inverter)....................................261
14 Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung................................................................263
14.1 Raumzeigertransformation.......................................................................................263
14.2 Stromrichterspeisung...............................................................................................267
15 Steuerverfahren für UWR..............................................................................................269
15.1 Begriffe....................................................................................................................269
15.2 Die Grundfrequenzsteuerung...................................................................................274
15.3 Die Pulsweitenmodulation (PWM)......................................... .................................275
15.3.1 1-phasige Mittelpunktschaltung..................................................................276
15.3.2 1-phasige Brückenschaltung........................................................................279
15.4 Schaltfunktionen für 3-phasige Schaltungen..........................................................281
15.4.1 Taktsteuerung...............................................................................................281
15.4.2 Pulssteuerung...............................................................................................282
15.4.3 Steuerkennlinie............................................................................................284
15.4.4 Off-line optimierte Schaltfunktionen...........................................................288
15.4.5 Eliminationsmethode..................................................................................286
15.4.6 Optimierte Pulsmuster.................................................................................287
15.4.7 Raumzeigermodulation................................................................................288
16 Stromrichter und Maschinen..........................................................................................291
16.1 Gleichstrommaschinen.............................................................................................291
16.2 Elektronikmotor.......................................................................................................294
16.3 Der geschaltete Reluktanzmotor..............................................................................295
16.4 Stromrichtermotor....................................................................................................298
16.5 Drehfeldmaschinen..................................................................................................302
XIV___________________________________________ ______________Inhaltsverzeichnis
16.6 Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung.............................................................306
16.7 Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz................................................307
16.7.1 Drehstromsteller W3....................................................................................308
16.7.2 Pulsgesteuerter Läuferwiderstand...............................................................309
16.7.3 Stromrichterkaskade....................................................................................310
16.7.3.1 Ausführung mit Stromzwischenkreis........................................311
16.7.3.2 Ausführung mit Spannungszwischenkreis.................................312
16.8 Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz..................................................314
16.8.1 Prinzip des Direktumrichters.......................................................................314
16.8.2 3-phasiger Direktumrichter.........................................................................317
16.8.3 Frequenzumrichter.......................................................................................317
16.8.3.1 U/f-Kennliniensteuerung............................................................320
16.8.3.2 Feldorientierte Regelung............................................................321
16.8.4 Abschätzung der Zwischenkreisgrößen.......................................................323
16.9 Energieeffizienz von elektrischen Antrieben............................................................325
17 Leistungselektronik und EMV........................................................................................329
17.1 Grundbegriffe...........................................................................................................329
17.2 Störgrößen - Ursachen.............................................................................................330
17.2.1 Störgröße Spannungssteilheit......................................................................330
17.2.2 Störgröße Stromsteilheit..............................................................................332
17.2.3 Auswirkungen parasitärer Elemente............................................................334
17.3 Störfestigkeit............................................................................................................336
17.4 Störvermögen...........................................................................................................336
17.4.1 Leitungsgebundene Störungen....................................................................336
17.4.2 Nicht leitungsgebundene Störungen............................................................336
17.4.2.1 Kapazitive Beeinflussungen.......................................................336
17.4.2.2 Induktive Beeinflussungen.........................................................337
17.4.2.3 Elektromagnetische Beeinflussungen.........................................337
17.4.3 Psophometrischer Störstrom........................................................................338
17.5 Netzfilter...................................................................................................................338
17.6 Motoranpassung an den Stromrichter......................................................................343
17.6.1 Lagerströme.................................................................................................343
17.6.2 Wanderwellenprobleme...............................................................................343
17.6.3 Ausgangsfilter..............................................................................................346
17.6.4 Ableitströme................................................................................................347
17.7 Weitere Maßnahmen.................................................................................................348
Inhaltsverzeichnis XV
18 Gleichspannungswandler................................................................................................351
18.1 Tiefsetzsteller...........................................................................................................351
18.2 Ausführungsbeispiel zum Tiefsetzsteller.................................................................351
18.3 Gleichstromsteller....................................................................................................352
18.4 Gleichstromsteller mit aktiver Last..........................................................................355
18.5 Lückbetrieb..............................................................................................................357
18.6 Hochsetzsteller.........................................................................................................360
18.7 Hoch-Tiefsetzsteller.................................................................................................363
18.8 Sperrwandler............................................................................................................365
18.9 Durchflusswandler...................................................................................................367
18.9.1 Eintaktwandler...........................................................................................367
18.9.2 Gegentaktwandler......................................................................................368
18.9.3 Vollbrückenwandler...................................................................................369
18.10 Resonanzwandler.....................................................................................................371
18.10.1 LC-Wandler...............................................................................................372
18.10.2 LLC-Wandler.............................................................................................375
18.10.3 Schaltverluste............................................................................................377
18.11 Schaltnetzteile...........................................................................................................379
18.11.1 Sekundär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler).....................................380
18.11.2 Primär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler)..........•.................................380
18.11.3 Elektronischer Transformator (AC-AC-Wandler).....................................381
18.11.4 Pulsgleichrichter........................................................................................381
18.11.5 Kontaktlose Energieübertragungssysteme.................................................383
18.11.6 Energiesparlampen....................................................................................384
19 Stromversorgungen..........................................................................................................387
19.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen................................................................387
19.1.1 Online-Systeme...........................................................................................388
19.1.2 Offline-Systeme...........................................................................................388
19.2 Photovoltaische Stromversorgungen........................................................................389
19.2.1 Wechselrichter-Wirkungsgrad.....................................................................390
19.2.2 Einfluss der Netzimpedanz..........................................................................391
19.2.3 Leistungsflusssteuerung mit FACTS...........................................................392
19.3 Brennstoffzellen-Stromversorgungen......................................................................393
19.4 Energiespeicher........................................................................................................394
19.4.1 Konzepte für akkugestützte Fahrzeugantriebe............................................400
19.4.2 Speichertechnologien für Elektrofahrzeuge................................................402
XVl_________________________________________________Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen..........................................................................................................................407
Weiterführende Literatur.......................................................................................................410
Sachwortv«r*eichnis...............................................................................................................412
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