Grundkurs Leistungselektronik

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1 Joachim Specovius Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme Mit 398 Abbildungen und 26 Tabellen Studium Technik 3 vieweg

2 VII 1 Was ist Leistungselektronik? 1 2 Grundlagen Die elektrische Leitfähigkeit Eigenleitung Störstellenleitung Der pn-übergang Der pn-übergang mit äußerer Spannung Der pn-übergang im Durchlassbetrieb pn-übergang in Sperrrichtung beansprucht Die Durchbrachmechanismen des pn-übergangs Die optimale Gestaltung des pn-übergangs 13 3 Dioden pn-diode Modellbildung einer realen Diode Die Verlustleistungsberechnung pin-diode Das Durchlassverhalten Das Sperrverhalten Das Schaltverhalten Einschalten mit eingeprägtem Strom Ausschalten Ausschaltverluste Reihenschaltung Parallelschaltung Stromaufteilung Solarzelle 28

3 Inhal ts verzei chni s 4 Transistoren Bipolartransistor Der bipolare Leistungstransistor Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters Nichtsättigungsbetrieb Quasisättigungsbetrieb Übersättigungsbetrieb Darlington-Transistoren Vergleich Bipolartransistor - Schalter Betriebsarten Schalten einer ohmsch-induktiven Last Schalten eines eingeprägten Stroms Weiches Schalten Hartes Schalten RCD-Beschaltung Der IG-Feldeffekttransistor(MOSFET) Aufbau Die Kennlinie Die Gatekapazität Der IG-Bipolar Transistor (IGBT ) Aufbau Durchlasseigenschaften Das Schaltverhalten Einschalten Ausschalten Sperr-und Blockierbetrieb Neuere Entwicklungsrichtungen Lastwechselfestigkeit Treiberschaltungen Ausführung einer Ansteuerung für einen IGBT Ansteuerung eines Halbbrückenmoduls Impulslogik Ventilbelastung 66

4 IX 5 Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Kennlinie Das Einschaltverhalten Überschreiten der zulässigen Blockierspannung Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit Gatestromzündung Gatestromimpuls und Eingangskennlinienfeld Ausschalten Netzgeführter Betrieb Selbstgeführter Betrieb Ausführungsformen Amplifying Gate Struktur Zweirichtungs-Thyristoren Der asymmetrisch sperrende Thyristor Der lichtzündbare Thyristor Abschaltbarer Thyristor (GTO) Der asymmetrische sperrende GTO Ansteuerung Einschalten Ausschalten Betriebsbedingungen MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) Auswahl von Leistungsbauelementen 82 6 Wärme-Management Die Verlustleistung Das thermische Ersatzschaltbild Der innere Wärmewiderstand Der äußere Wärmewiderstand Die Wärmekapazität Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers Kühlmedien Wasserkühlung 89

5 X Siedekühlung 90 7 Stromrichterschaltungen Grundfunktionen Kennzeichnung von Stromrichterschaltungen Einteilung nach der inneren Wirkungsweise Leistungssteuerverfahren Mittelpunktschaltung MIC Transformator-Bauleistung Kapazitive Last Kapazitive Last mit eingeprägtem Laststrom Ohmsch-induktiveLast Ohmsch-induktive Last mit Freilaufdiode Wechselwegschaltung Der Wechselstromsteller mit ohmscher Last Der Wechselstromsteller mit R-L-Last Schalten von Wechselstrom Wechselstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M2U Gleichspannungsbildung Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C Ohmsche Last Ohmsch-induktiveLast Aktive Last Ventilbelastung Trafo-und Netzgrößen Bemessung einer Glättungsinduktivität Die Kommutierung Überlappung Die induktive Gleichspannungsänderung Die Brückenschaltung B Ventilbelastung Transformatorbauleistung 123

6 XI 9 Drehstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M Gleichspannungsbildung OhmscheLast Aktive Last Ventilbelastung Spannung Strom Netzstrom Die Kommutierung Einfluss auf die Gleichspannung Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls Kommutierungseinfluss auf die Ventilspannung Die Brückenschaltung B Gleichspannungsbildung Leitzustände Stromrichtereingangsstrom Netzstrom Zündimpulse Gleichspannungsbildung Einfluss der Kommutierungen Höherpulsige Schaltungen pulsige Schaltungen Netzrückwirkungen Blindleistungsverhalten Die Kennlinie der Steuerblindleistung Kommutierungsblindleistung Oberschwingungsblindleistung Stromoberschwingungen Stromglättung Spannungsglättung Passive PFC-Schaltung Aktive PFC-Schaltung 160

7 XII 10.3 Spannungsoberschwingungen B6-Schaltung mit eingeprägtem Strom Lastgeführte Stromrichter Schwingkreiswechselrichter Betrieb mit eingeprägter Gleichspannung Betrieb mit eingeprägtem Gleichstrom Vergleich der Wechselrichtertypen Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Ventilen Strom- und spannungsloses Schalten Anwendungsbeispiel zum stromlosen Schalten Selbstgeführte Stromrichter Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR) Mittelpunktschaltung mit AC-seitigem Mittelpunkt Ausführungsbeispiel mit Thyristorschalter phasige Brückenschaltungen Betrieb mit passiver Last Betrieb mit einer asynchronen Drehfeldmaschine UWR mit Phasenfolgelöschung Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (IWR) Prinzip Ausführung des Phasenfolgewechselrichters Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter) Schaltfunktionen Kurzzeit-Mittelwert Der Modulator Modulationsfunktion Aussteuerungsgrad Einphasige Brücke Schwenksteuerung Pulsbreitenmodulation 204

8 XIII Dreiphasige Brücke Die Spannungsbildung Der Zwischenkreisstrom Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter) Einphasige Brückenschaltung Dreiphasige Brückenschaltung Multi-level-Schaltungen Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung Raumzeigertransformation Stromrichterspeisung Steuerverfahren für UWR Begriffe Die Grundfrequenzsteuerung Die Pulsbreitenmodulation (PWM) Digitale Schaltungen Schaltfunktionen fur dreiphasige Schaltungen Steuerkennlinie Off-line optimierte Schaltfunktionen Eliminationsmethode Optimierte Pulsmuster Raumzeigermodulation Stromrichter und Drehfeldmaschinen Drehfeldmaschinen Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz Drehstromsteller W Pulsgesteuerter Läuferwiderstand Stromrichterkaskade Stromzwischenkreis Spannungszwischenkreis Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz Prinzip des Direktumrichters 251

9 XIV phasiger Direktumrichter Frequenzumrichter Leistungselektronik und EMV Grundbegriffe Störgrößen in der Leistungselektronik Störfestigkeit Störvermögen Leitungsgebundene Störungen Nicht leitungsgebundene Störungen Psophometrischer Störstrom Eingangsfilter Ausgangsfilter Motoranpassung Maßnahmen gegen elektromagnetische Felder Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Gleichstromsteller Hochsetzsteller Hoch-Tiefsetzsteller Sperrwandler 271 Formelzeichen 273 Weiterführende Literatur 275 Sachwortverzeichnis 276