1 Was ist Leistungselektronik?...1

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 XII Passive PFC-Schaltung Aktive PFC-Schaltung Vier Quadranten Steller 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

7 XIII phasige Brückenschaltung 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

8 XIV 16.6 Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung 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 Auswirkungen parasitärer Elemente Störfestigkeit Störvermögen Leitungsgebundene Störungen Nicht leitungsgebundene Störungen Kapazitive Beeinflussungen Induktive Beeinflussungen Elektromagnetische Beeinflussungen Psophometrischer Störstrom Netzfilter Motoranpassung an den Stromrichter Lagerströme Wanderwellenprobleme Ausgangsfilter Ableitströme Weitere Maßnahmen

9 XV 18 Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Ausführungsbeispiel zum Tiefsetzsteller Gleichstromsteller Gleichstromsteller mit aktiver Last Lückbetrieb Hochsetzsteller Hoch-Tiefsetzsteller Sperrwandler Durchflusswandler Eintaktwandler Gegentaktwandler Vollbrückenwandler Resonanzwandler LC-Wandler LLC-Wandler Schaltverluste Schaltnetzteile Sekundär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Primär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Elektronischer Transformator (AC-AC-Wandler) Pulsgleichrichter Kontaktlose Energieübertragungssysteme Energiesparlampen 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

10 XVI Formelzeichen Weiterführende Literatur Sachwortverzeichnis

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