Grundkurs Leistungselektronik

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1 Grundkurs Leistungselektronik

2 Joachim Specovius Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme 7., aktualisierte und überarbeitete Auflage

3 Joachim Specovius FB VII - Elektrotechnik Beuth Hochschule für Technik Berlin 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 Springer Fachmedien Wiesbaden 2003, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013, 2015 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 V Vorwort Wie viele Gebiete der Elektrotechnik, so entwickelt sich auch die Leistungselektronik in einem schnellen Tempo weiter. Aktuelle Halbleiterbauelemente, hier sei speziell auf den IGBT hingewiesen, haben zusammen mit hochintegrierter digitaler Signalverarbeitung zu einem unvergleichbaren Zuwachs im Einsatz von Leistungshalbleitern in vielen neuen Anwendungsfeldern wie z. B. im Automobilbereich, der Telekommunikation sowie der Licht- und Haushaltsgerätetechnik geführt. Hinzu kommen verstärkt Forderungen nach effizienter Energieanwendung, zentraler und dezentraler Energiebereitstellung unter Einbindung regenerativer Energiequellen sowie mobile Energieanwendungen einschließlich elektrischer Fahrzeugantriebe. Kaum ein Industriezweig kann daher auf leistungselektronische Einrichtungen verzichten. Die Leistungselektronik hat sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt. Grundlegende Kenntnisse auf dem Gebiet der Leistungselektronik werden daher in vielen Fachgebieten verstärkt benötigt. 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, Energieversorgung elektronischer Systeme und Leistungselektronik in Energieversorgungssystemen. Es soll den Lesenden in das Gebiet der Leistungselektronik einführen und bietet schwerpunktmäßig fachliche Vertiefungen an. Der Aufbau dieses Buches ist dabei so gestaltet, dass der Lesende sich zunächst an allgemein gehaltenen Begriffen orientieren kann. Im Anhang sind ergänzende Literaturhinweise angegeben, auf die bei Bedarf verwiesen wird. Zusätzliche Informationen und Inhalte stehen online unter springervieweg.de zur Verfügung. In Bachelor- und Master-Studiengängen hat sich die Konzeption dieses Lehrbuches mit online-unterstützung für die eigenständige Vor- und Nacharbeit des Lehrinhaltes praktisch bewährt. In der nun vorliegenden 7. Auflage wurden einige Kapitel überarbeitet bzw. aktualisiert. Unter anderem wurde in Kapitel 8 die halbgesteuerte Brücke ergänzt, in Kapitel 15 die Pulsweitenmodulation der einphasigen Brückenschaltung umfassender beschrieben, Kapitel 16 um den geschalteten Reluktanzmotor erweitert und in Kapitel 18 wurde der Vollbrückenwandler ergänzt und es wird nun der Einfluss des Spulenwiderstandes auf die Funktion und den Wirkungsgrad eines Hochsetzstellers berücksichtigt. An dieser Stelle möchte ich meinen Dank den Studierenden, Lesern und Leserinnen aussprechen, die durch ihre konstruktiven Hinweise und Fragestellungen zum Erfolg dieses Lehrbuches beigetragen haben. Dem European Center for Power Electronics e.v. (ECPE) danke ich für wertvolle Anregungen [30], dem Springer-Vieweg Verlag, insbesondere dem Cheflektor Herrn Reinhard Dapper und Frau Andrea Broßler, danke ich für die sehr gute Zusammenarbeit. Kritik und Anregungen zur Weiterentwicklung dieses Lehrbuches und zur Erweiterung des Online-Angebotes sind unter joachim.specovius@t-online.de jederzeit willkommen. An dieser Stelle möchte ich auch meinen besonderen Dank meiner Familie aussprechen, ohne deren Geduld und Rücksicht ein solches Lehrbuch nicht möglich gewesen wäre. Berlin, im April 2015 Joachim Specovius

5 VII 1 Was ist Leistungselektronik? Grundlagen Die elektrische Leitfähigkeit Eigenleitung Störstellenleitung Der pn-übergang Der pn-übergang mit äußerer Spannung Der pn-übergang im Durchlassbetrieb Der pn-übergang in Sperrrichtung beansprucht Die Durchbruchmechanismen des pn-überganges Die optimale Gestaltung des pn-übergangs Dioden pn-diode Modellbildung einer realen pn-diode Die Verlustleistungsberechnung pin-diode Das Sperrverhalten Das Durchlassverhalten Das Schaltverhalten Einschalten Ausschalten Schaltverluste Reihenschaltung Parallelschaltung Einsatzkriterien für Dioden Solarzelle Transistoren Bipolartransistor Aufbau Wirkungsweise Schaltverluste...36

6 VIII Der bipolare Leistungstransistor Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters Nichtsättigungsbetrieb (aktiver Bereich, u BC < 0) Quasisättigungsbetrieb (u BC > 0) Übersättigungsbetrieb Darlington-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 Entwicklungsrichtungen Treiberschaltungen Gateanschluss Ausführung einer IGBT-Ansteuerung Ansteuerung eines Halbbrückenmoduls 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 Kennlinie Das Einschaltverhalten Überschreiten der zulässigen Blockierspannung Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit Gatestromzündung Ausschalten Netzgeführter Betrieb Selbstgeführter Betrieb Ausführungsformen Amplifying Gate-Struktur Zweirichtungs-Thyristoren Der asymmetrisch sperrende Thyristor Der lichtzündbare Thyristor Abschaltbarer Thyristor (GTO) Der asymmetrisch sperrende GTO Ansteuerung Einschalten Ausschalten Betriebsbedingungen für einen GTO Der IGCT Auswahl von Leistungsbauelementen Wärme-Management Die Verlustleistung Das thermische Ersatzschaltbild Der innere Wärmewiderstand R th,jc Der äußere Wärmewiderstand R th,ca Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers Die Wärmekapazität C th...100

8 X 6.3 Kühlmedien Luftkühlung Wasserkühlung Siedekühlung Stromrichterschaltungen Grundfunktionen Kennzeichnung von Stromrichterschaltungen Einteilung nach der inneren Wirkungsweise Leistungssteuerverfahren Mittelpunktschaltung M Bauleistung des Transformators Kapazitive Last Ohmsch-induktive Last Ohmsch-induktive Last mit Freilaufdiode Wechselwegschaltung W Stellerbetrieb mit ohmscher Last Stellerbetrieb mit ohmsch-induktiver Last Schaltbetrieb mit ohmsch-induktiver Last Wechselstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M2U Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C Die Wirkungsweise des Steuergenerators Gleichspannungsbildung Ohmsche Last Ohmsch-induktive Last Aktive Last Ventilbelastung Trafo- und Netzgrößen Bemessung einer Glättungsinduktivität Die Kommutierung Überlappung Die induktive Gleichspannungsänderung Die Brückenschaltung B Die halbgesteuerte Brückenschaltung B2H Ventilbelastung Bauleistung des Transformators...144

9 XI 9 Drehstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M Gleichspannungsbildung Ohmsche Last Aktive Last Ventilbelastung Spannung Strom Netzstrom Die Kommutierung Einfluss auf die Gleichspannung Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls Einfluss auf die Ventilspannung Die Brückenschaltung B Gleichspannungsbildung Leitzustände der Ventile Steuerkennlinie Stromrichtereingangsstrom Netzstrom Bauleistung des Transformators Zündimpulse Gleichspannungsbildung Einfluss der Kommutierungen Auswirkungen nicht idealer Glättung auf die Gleichspannung pulsige Schaltungen Stromrichter-Reihenschaltung Stromrichter-Parallelschaltung Höherpulsige Schaltungen Netzrückwirkungen Blindleistungsverhalten Die Kennlinie der Steuerblindleistung Oberschwingungsblindleistung Stromoberschwingungen Stromglättung Spannungsglättung...187

10 XII Passive PFC-Schaltung Aktive PFC-Schaltung Spannungsoberschwingungen B2-Schaltung B6-Schaltung 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 (ZCS) Selbstgeführte Stromrichter 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 (IWR) Prinzip Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung Die Wechselrichtervorladung Anfahrverhalten Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter) Schaltfunktionen Kurzzeit-Mittelwert Der Modulator Modulationsfunktion Aussteuerung phasige Brückenschaltung...238

11 XIII Grundfrequenztaktung Schwenksteuerung Pulsweitenmodulation phasige Brückenschaltung Die Spannungsbildung Der Zwischenkreisstrom Schaltungen in Mehrpunkttechnik (Multi-Level-Inverter) Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter) phasige Brückenschaltung phasige Brückenschaltung Schaltungen in Vierpunkttechnik (4-level-inverter) Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung Raumzeigertransformation Stromrichterspeisung Steuerverfahren für UWR Begriffe Die Grundfrequenzsteuerung Die Pulsweitenmodulation (PWM) phasige Mittelpunktschaltung phasige Brückenschaltung Schaltfunktionen für 3-phasige Schaltungen Taktsteuerung Pulssteuerung Steuerkennlinie Off-line optimierte Schaltfunktionen Eliminationsmethode Optimierte Pulsmuster Raumzeigermodulation Stromrichter und Maschinen Gleichstrommaschinen Elektronikmotor Der geschaltete Reluktanzmotor Stromrichtermotor Drehfeldmaschinen Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung...304

12 XIV 16.7 Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz Drehstromsteller W Pulsgesteuerter Läuferwiderstand Stromrichterkaskade Ausführung mit Stromzwischenkreis Ausführung mit Spannungszwischenkreis Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz Prinzip des Direktumrichters phasiger Direktumrichter Frequenzumrichter U/f-Kennliniensteuerung Feldorientierte Regelung Abschätzung der Zwischenkreisgrößen Energieeffizienz von elektrischen Antrieben Leistungselektronik und EMV Grundbegriffe Störgrößen Ursachen Störgröße Spannungssteilheit Störgröße Stromsteilheit Störfestigkeit Störvermögen Leitungsgebundene Störungen Nicht leitungsgebundene Störungen Kapazitive Beeinflussungen Induktive Beeinflussungen Elektromagnetische Beeinflussungen Psophometrischer Störstrom Netzfilter Motoranpassung an den Stromrichter Lagerströme Wanderwellenprobleme Ausgangsfilter Weitere Maßnahmen Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Ausführungsbeispiel zum Tiefsetzsteller...345

13 XV 18.3 Gleichstromsteller Gleichstromsteller mit aktiver Last Lückbetrieb Hochsetzsteller Hoch-Tiefsetzsteller Sperrwandler Durchflusswandler Eintaktwandler Gegentaktwandler Vollbrückenwandler 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 Offline-Systeme Photovoltaische Stromversorgungen Wechselrichter-Wirkungsgrad Einfluss der Netzimpedanz Leistungsflusssteuerung mit FACTS Brennstoffzellen-Stromversorgungen Energiespeicher Konzepte für akkugestützte Fahrzeugantriebe Speichertechnologien für Elektrofahrzeuge Formelzeichen Weiterführende Literatur Sachwortverzeichnis...398