Grundkurs Leistungselektronik

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1 Grundkurs Leistungselektronik

2 Joachim Specovius Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme 6., aktualisierte und überarbeitete Auflage Mit 522 Abb. und 35 Tab.

3 Prof. Dr. Joachim Specovius Beuth Hochschule für Technik Berlin Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 2003, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 v Vorwort Wie viele Gebiete der Elektrotechnik so entwickelt sich auch die Leistungselektrouik iu eiuem schuellen Tempo weiter. Aktuelle Halbleiterbauelemente, hier sei speziell auf den IGBT hiugewiesen, haben zusammen mit hochiutegrierter digitaler Sigua1verarbeituug zu eiuem unvergleichbaren Zuwachs im Eiusatz von Leistungsha1bleitern iu vielen neuen Anwendungsfeldern wie z. B. im Automobilbereich, der Telekommunikation sowie der Licht- und Haushaltsgerätetechnik geführt. Hiuzu kommen verstärkt Fordernngen nach effizienter Energieanwendung, zentraler und dezentraler Energiebereitstellung unter Eiubiudung regenerativer Energiequellen sowie mobile Energieanwendungen eiuschließlich elektrischer Fahrzeugantriebe. Kaum eiu Industriezweig kann daher auf leistungselektronische Einrichtungen verzichten. Die Leistungselektrouik hat sich zu eiuer Schlüsseltechuologie entwickelt. Grundlegende Kenntnisse auf dem Gebiet der Leistuugselektrouik werden daher iu vielen Fachgebieten verstärkt benötigt. Die bereits nach relativ kurzer Zeit erforderliche 6. Auflage dieses Lehrbuches basiert auf den von mir an der Beuth Hochschule für Technik Berlin gehaltenen Vorlesungen und Übungen zu: Bauelemente der Leistungselektronik, Leistungselektronik, Systeme der Leistungselektronik und Energieversorgung elektronischer Systeme. Das Buch soll den Leser iu das Gebiet der Leistungselektrouik einführen und bietet schwerpunktmäßig fachliche Vertiefungen an. Der Aufbau dieses Buches ist dabei so gestaltet, dass der Leser sich zunächst an allgemeiu gehaltenen Begriffen orientieren kann. Im Anhang siud zusätzlich aktuelle Literaturhiuweise angegeben, auf die bei Bedarf verwiesen wird. Darüber hiuaus stehen umfangreiche Zusatzmaterialien und Übungen online zur Verfügung. Die Zusatzmaterialien zu diesem Lehrbuch können im Internet unter heruntergeladen werden. In Bachelor- und Master-Studiengängen hat sich die Konzeption dieses Lehrbuches mit online-unterstützung fiir die eigenständige Vor- und Nacharbeit des Lehrinhaltes iu der Praxis bewährt. Gegenüber der 5. Auflage wurden wieder einige Kapitel überarbeitet bzw. aktualisiert. Unter anderem wurde iu Kapitel 6 die Beschreibung des thermischen Ersatzschaltbildes fiir dynamische Vorgänge verbessert, iu KapitellS wurde die Pulsweitenmodulation noch umfassender beschrieben und bei der photovoltaischen Stromversorgung iu Kapitel 19 wurde zusätzlich auf die Wirkungsgradermittlung und die Problematik der Energieeiuspeisung iu öffentliche Stromnetze eiugegangen. An dieser Stelle möchte ich meiuen Dank den Studenten und Lesern aussprechen, die durch ihre Hiuweise und Fragestellungen zur Verbesserung dieses Lehrbuches beigetragen haben. Dem European Center for Power Electronics e.v. (ECPE) danke ich fiir wertvolle Anregungen [30], dem Springer Vieweg Verlag, iusbesondere dem Cheflektor Herrn Reiuhard Dapper, danke ich fiir die sehr gute Zusammenarbeit. Kritik und Anregungen zur weiteren Verbesserung dieses Lehrbuches und zur Erweiterung des Online-Angebotes siud unter joachim.specovius@t-onliue.dejederzeitwillkommen. An dieser Stelle möchte ich auch meiuen besonderen Dank meiuer Familie aussprechen, ohue deren Geduld und Rücksicht eiu solches Lehrbuch nicht möglich gewesen wäre. Berlin, im Oktober 2012 Joachim Specovius

5 VII 1 Was ist Leistungselektronik? Grundlagen Die elektrische Leitflihigkeit Eigenleitung Störstellenleitung Der pn-übergang Der pn-übergang mit äußerer Spanoung Der pn-übergang im Durchlassbetrieb Der pn-übergang io Sperrrichtung beansprucht... I I Die Durchbruchmechanismen des pn-überganges Die optimale Gestaltung des pn-übergangs Dioden pn-diode Modellbildung eioer realen pn-diode Die Verlustleistungsberechnung pio-diode Das Sperrverhalten Das Durch1assverhalten Das Schaltverhalten Eioschalten Ausschalten Schaltverluste Reihenschaltung Parallelschaltung Eiosatzkriterien für Dioden Solarzelle Tran.isturen Bipo1artransistur Aufbau Wirkungsweise Schaltverluste... 36

6 VIII Der bipolare Leistungstransistor Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters Nichtsättigungsbetrieb (aktiver Bereich, ubc < 0) Quasisättigungsbetrieb (UBC > 0) Übersättigungsbetrieb Darlingtun-Transistoren Vergleich Bipolartransistor - Schalter Betriebsarten Schalten einer ohmsch-induktiven Last Schalten eines eingeprägten Stromes Weiches Schalten Hartes Schalten RCD-Beschaltung Der IG-Feldeffekttransistor (MOSFET) Aufbau Die Kennlinie Die Gatekapazität Neuere Entwicklungsrichtungen Der IG-Bipolar Transistor (IGBT) Aufbau Durchlasseigenschaften Das Schaltverhalten Einschalten Ausschalten Sperr- und Blockierverhalten Neuere Entwick1ungsrlchtungen Treiberschaltungen Gateanschluss Ausführung einer IGBT-Ansteuerung Ansteuerung eines Halbbriickemnoduls Impulslogik Ventilbelastung Aufbau- und Verbindungstechnik Problematik Gehäuseformen Diskrete Bauelemente IGBT-Leistungsmodule... 77

7 IX Eigenschaften von Leistungsmodulen Lastwechselfestigkeit Verhalten bei Moduldefekt Parasitäre Induktivitäten EMV-Verhalten Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise K.ennlinie Das Einschaltverhalten Überschreiten der zulässigen Blockierspannung Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit Gatestromzündung Ausschalten Netzgefiibrter Betrieb Selbstgefiibrter Betrieb Ausfiihrungsformen Amplifying Gate-Struktur Zweirichtungs-Thyristoren Der asymmetrisch sperrende Thyristor Der lichtzündbare Thyristor Abschaltbarer Thyristor (GTO) Der asymmetrisch sperrende GTO Anstenerung Einschalten Ausschalten Betriebsbedingungen für einen GTO Der IGCT Auswahl von Leistungsbauelementen Wärme-Management Die Verlustleistung Das thermische Ersatzschaltbild Der innere WännewiderstandRth.Jc Der äußere Wännewiderstand R th CA Die Wännekapazität Ca, Der Wännewiderstand des Kühlkörpers... loo

8 X 6.3 Kühlmedien Luftkühlung Wasserkühlung Siedekühlung Stromrichterschaltungen Grundfunktionen Kcnnzeiclmung von Stromrichterschaltungen Einteilung nach der inneren Wirkungsweise Leistungssteuerverfahren Mittelpunktschaltung MI Transfonnator-Bauleistung Kapazitive Last Ohrnsch-induktive Last Ohrnsch-induktive Last mit Freilaufdiode WechselwegschaltungWI Stellerbetrieb mit ohrnscher Last Stellerbetrieb mit ohrnsch-induktiver Last Schaltbetrieb mit ohrnsch-induktiver Last Weehselstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M2U Gleichspannungsbildung Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C Die Wirkungsweise des Steuergenerators Passive Last Ohrnsche Last Ohrnsch-induktive Last Aktive Las! Ventilbelastung Trafo- undnetzgrößen Bemessung einer Glättungsinduktivität Die Kommutierung Überlappung Die induktive Gleichspannungsänderung

9 XI 8.3 Die Brückenschaltung B Ventilbelastung Transformatorbauleistung Drehstromschaltungen Die MittelpunktschaltungMJ Gleicbapannungsbildung Ohmsche Last Aktive Last V entilbelastung Spannung Strom Netzstrom I Die Kommutierung Einfluss auf die Gleicbapannung Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls Kommutierungseinfluss auf die Venti1spannung Die Brückenschaltung B Gleichspannungsbildung Leitzustände der Ventile Stromrichtereingangsstrom Netzstrom I Bauleistung des Transformators Zündimpulse Gleicbapannungsbildung Einfluss der Kommutierungen Auswirkungen nicht idealer Glättung auf die Gleicbapannung pulsige Schaltungen Stromrichter-Reihenschaltung Stromrichter-Parallelschaltung Höherpulsige Schaltungen Netzrückwirkungen I 0.1 Blindleistungsverhalten Die Kennlinie der Steuerblindleistung I Oberschwingungsblindleistung

10 XII 10.2 Stromoberschwingungen Stromglättung Spannungsglättung Passive PFC-Schaltung Aktive PFC-Schaltung I 0.3 Spannungsoberschwingungen B2-Schaltung B6-Schaltung Lastgeführte Stromrichter Schwingkreiswechselrichter Betrieb mit eingepräg1cr Gleichspannung Betrieb mit eingeprägtem Gleichstrom Vergleich der Wechselrichtertypen Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Ventilen Strom- und spannungsloses Schalten Anwendungsbeispiel zum stromlosen Schalten (ZCS) Selbstgeffibrte Stromriebter Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR) Mittelpunktschaltung mit AC-seitigem Mittelpunkt Ausführungsbeispiel mit Thyristorschalter phasige Brückenschaltungen Betrieb mit passiver Last Betrieb mit einer Drehfeldmaschine Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung Wechselrichter mit eingeprägtem Strom {lwr) Prinzip Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter) Schaltfunktionen Kurzzeit-Mittelwert Der Modulator Modulationsfunktion Ausstenerung

11 XITr I-phasige Brückenschaltung Grundfrequenztaktung Schwenksteuerung Pulsweitenmodulation phasige Brückenschaltung Die Spannungsbildung Der Zwischenkreisstrom Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter) I-phasige Brückenschaltung phasige Brückenschaltung Multi-Ievel-Schaltungen Dreh.tromgrößen in Raumzeigerdar.tellung Raumzeigertransformation Stromrichterspeisung Steuerverfahren für UWR Begriffe Die Grundfrequenzsteueruog Die Pulsweitenmodulation (PWM) Schaltfunktionen fiir 3-phasige Schaltungen Steuerkennlinie Off-line optimierte Schaltfunktionen Eliminationsmethode Optimierte Pulsmuster Raumzeigermodulation Stromrichter und Ma.chinen Gleichstrommaschinen Elektronikmotor Stromrichtermotor Drehfeldmaschinen Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz Drehstromsteller W Pulsgesteuerter Läuferwiderstand Stromrichterkaskade Ausführung mit Stromzwischenkreis Ausfiihruog mit Spannungszwischenkreis

12 XIV 16.7 Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz Prinzip des Direktumrichters phasiger Direktumrichter Frequenzurnrichter U/f-Kennliniensteuerung Feldorientierte Regelung Abschätzung der Zwischenkreisgrößen Energieeffizienz von elektrischen Antrieben Leistungselektronik und EMV Grundbegriffe Störgrößen in der Leistungselektronik Störfestigkeit Störvermögen Leitungsgebundene Störungen Nicht leitungsgebundene Störungen Kapazitive Beeinflussungen Induktive Beeinflussungen Elektromagnetische Beeinflussungen Psophometrischer Störstrom Netzfilter Motoranpassung an den Stromrichter Lagerströme W anderwellenprobleme Ausgangsfilter Weitere Maßnahmen Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Ausfiihrungsbeispiel zum Tiefsetzsteller Gleichstromsteller Gleichstromsteller mit aktiver Last Lückbetrieb Hochsctzsteller Hoch-Tiefsetzsteller Sperrwandler Durchflusswandler...342

13 xv Schaltnetzteile Sekundär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Primär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Elektronischer Transformator (AC-AC-Wandler) Pulsgleichrichter Kontaktlose Energieübertragungssysteme EnergIesparlampen Kompakt-Leuchtstofflampe Leuchtdioden (LEDs) Stromversorgungen Unterbrechungsfreie Stromversorgungen Online-Systeme Offiine-Systeme Photovoltaische Stromversorgungen Wechselrichter-Wirkungsgrad Einfluss der Netzimpedanz Leistungsflusssteuerung mit FACTS BrennstoflZellen-Stromversorgungen Energiespeicher Konzepte für akkugestützte Fahrzeugantriebe Speichertechnologien für Elektrofahrzeuge Formelzeichen Abkürzungen Weiterführende Literatur Normen (Au.wahl) Sachwortverzeichnis Hinwei. Dieses Lehrbuch einschließlich aller Zeichnungen wurde mit dem freien Office-Paket OPENOFFICE erstellt.