Joachim Specovius. Grundkurs Leistungselektronik

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1 Joachim Specovius Grundkurs Leistungselektronik

2 Weitere Bücher aus dem Programm Elektronik Mikrowellenelektronik von W. Bächtold Sensorschaltungen von P. Baumann Elektroniksimulation mit PSPICE von B. Beetz Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer, D. Ehrhardt und W. Oberschelp Elemente der Elektronik Repetitorium und Prüfungstrainer von E. Böhmer Mechatronik herausgegeben von B. Heinrich Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation herausgegeben von S. Hesse und G. Schnell Hochfrequenztechnik von H. Heuermann Informatik für Ingenieure 1 und 2 von G. Küveler und D. Schwoch Rechnerarchitektur von H. Malz Elektronik für Ingenieure herausgegeben von L. Palotas Elektronik von D. Zastrow Bussysteme in der Fahrzeugtechnik von W. Zimmermann und R. Schmidgall vieweg

3 Joachim Specovius Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme 2., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 467 Abbildungen und 33 Tabellen Studium Technik

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage Oktober , aktualisierte und erweiterte Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Technische Redaktion: FROMM MediaDesign, Selters/Ts. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

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6 VII Inhaltsverzeichnis 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 Der bipolare Leistungstransistor Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters Nichtsättigungsbetrieb (aktiver Bereich, u BC < 0)...37

7 VIII Inhaltsverzeichnis 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 Lastwechselfestigkeit Sperr- und Blockierverhalten Neuere Entwicklungsrichtungen Treiberschaltungen Ausführung einer Ansteuerung für einen IGBT Gateanschluss Ansteuerung eines Halbbrückenmoduls Impulslogik Ventilbelastung Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Kennlinie Das Einschaltverhalten Überschreiten der zulässigen Blockierspannung Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit...76

8 Inhaltsverzeichnis IX Gatestromzündung 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 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 Die Wärmekapazität Cth Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers Kühlmedien Luftkühlung Wasserkühlung Siedekühlung Stromrichterschaltungen Grundfunktionen Kennzeichnung von Stromrichterschaltungen Einteilung nach der inneren Wirkungsweise Leistungssteuerverfahren Mittelpunktschaltung M Transformator-Bauleistung...103

9 X Inhaltsverzeichnis 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 Gleichspannungsbildung Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C Die Wirkungsweise des Steuergenerators Passive Last Ohmsche Last Ohmsch- induktive Last Aktive Last Ventilbelastung Trafo- und Netzgrößen Bemessung einer Glättungsinduktivität Die Kommutierung Überlappung u Die induktive Gleichspannungsänderung Die Brückenschaltung B Ventilbelastung Transformatorbauleistung Drehstromschaltungen Die Mittelpunktschaltung M Gleichspannungsbildung Ohmsche Last Aktive Last Ventilbelastung Spannung Strom Netzstrom Die Kommutierung...142

10 Inhaltsverzeichnis XI Einfluss auf die Gleichspannung Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls Kommutierungseinfluss auf die Ventilspannung Die Brückenschaltung B Gleichspannungsbildung Leitzustände der Ventile Stromrichtereingangsstrom Netzstrom Zündimpulse Gleichspannungsbildung Einfluss der Kommutierungen pulsige Schaltungen Stromrichter-Reihenschaltung Stromrichter-Parallelschaltung Höherpulsige Schaltungen Netzrückwirkungen Blindleistungsverhalten Die Kennlinie der Steuerblindleistung Oberschwingungsblindleistung Stromoberschwingungen Stromglättung Spannungsglättung 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)...191

11 XII Inhaltsverzeichnis 12 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 Wirkungsweise selbstgeführter UWR Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter) Schaltfunktionen Kurzzeit-Mittelwert Der Modulator Modulationsfunktion Aussteuerung phasige Brücke Grundfrequenztaktung Schwenksteuerung Pulsbreitenmodulation phasige Brücke Die Spannungsbildung Der Zwischenkreisstrom Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter) Einphasige Brückenschaltung phasige Brückenschaltung Multi-level-Schaltungen Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung Raumzeigertransformation Stromrichterspeisung Steuerverfahren für UWR Begriffe Die Grundfrequenzsteuerung...246

12 Inhaltsverzeichnis XIII 15.3 Die Pulsbreitenmodulation (PWM) Digitale Schaltungen Schaltfunktionen für 3-phasige Schaltungen Steuerkennlinie Off-line optimierte Schaltfunktionen Eliminationsmethode Optimierte Pulsmuster Raumzeigermodulation Stromrichter und Maschinen Gleichstrommaschinen Elektronikmotor Stromrichtermotor Drehfeldmaschinen Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz Drehstromsteller W Pulsgesteuerter Läuferwiderstand Stromrichterkaskade Ausführung mit Stromzwischenkreis Spannungszwischenkreis Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz Prinzip des Direktumrichters phasiger Direktumrichter Frequenzumrichter U/f-Kennliniensteuerung Feldorientierte Regelung Abschätzung der Zwischenkreisgrößen Leistungselektronik und EMV Grundbegriffe Störgrößen in der Leistungselektronik Störfestigkeit Störvermögen Leitungsgebundene Störungen Nicht leitungsgebundene Störungen Kapazitive Beeinflussungen Induktive Beeinflussungen...293

13 XIV Inhaltsverzeichnis Elektromagnetische Beeinflussungen Psophometrischer Störstrom Netzfilter Motoranpassung an den Stromrichter Lagerströme Wanderwellenprobleme Ausgangsfilter Weitere Maßnahmen Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Ausführungsbeispiel zum Tiefsetzsteller Gleichstromsteller Gleichstromsteller mit aktiver Last Hochsetzsteller Hoch-Tiefsetzsteller Sperrwandler Durchflusswandler Schaltnetzteile Sekundär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Primär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler) Elektronischer Transformator (AC-AC-Wandler) Energiesparlampe Stromversorgungen Unterbrechungsfreie Stromversorgungen Online-Systeme Offline-Systeme Photovoltaische Stromversorgungen Brennstoffzellen-Stromversorgungen Energiespeicher Formelzeichen Weiterführende Literatur Sachwortverzeichnis...330