Inhaltsverzeichnis Band 1

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1 Inhaltsverzeichnis Band 1 Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole XLIX 1. Einleitung Grundprinzipien der Leistungselektronik Stellung der Leistungselektronik in der Elektrotechnik und Anwendungsgebiete Methoden der Leistungselektronik Einteilung der leistungselektronischen Schaltungen Historisches Aufbau und Organisation des vorliegenden Werkes Mathematische und elektrotechnische Grundlagen Mathematische Grundlagen Fouriersche Reihen Allgemeine Formeln Spezielle Funktionen bzw. Symmetrien Wichtige Fourierreihen Allgemeine Verläufe Spezielle Funktionen der Leistungselektronik A. Primärstrom einer zweipulsigen Schaltung B. Primärstrom einer dreipulsigen Schaltung C. Typischer Strom einer sechspulsigen Brückenschaltung D. Stromverlauf aus Sinus-Kuppen E. Stromverlauf aus Trapez-Impulsen F. Primärstrom einer sechspulsigen Mittelpunktschaltung G. Lastspannung bei Einweggleichrichtung mit Freilaufdiode bzw. bei rein ohmscher Last H. Lastspannung bei Zweiweggleichrichtung mit Freilaufdiode bzw. rein ohmscher Last I. Lastspannung bei Zweiweggleichrichtung (zweipulsig) und für allgemeine Pulszahl p sowie Lastinduktivität ; keine Freilaufdiode.. 34 J. Lastspannung im dreipulsigen Fall (keine Freilaufdiode, Lastinduktivität ) K. Lastspannung im sechspulsigen Fall (keine Freilaufdiode, Lastinduktivität ) L. Spannungseinbrüche bei Kommutierungen Ergänzende Bemerkungen zu den Fourierschen Reihen A. Zusammengesetzte Funktionen B. Fast-Fourier-Transformation C. Bildung neuer Funktionen durch Verschiebung in Richtung Ordinate oder Abszisse D. Weitere spezielle Fourierreihen

2 XXII Inhaltsverzeichnis Band Laplacetransformation Geometrische Reihen, exponentielle Verläufe und quadratische Gleichungen Berechnung von Schaltungen der Leistungselektronik Elektrotechnische Grundlagen Allgemeines Spannungen und elektromotorische Kräfte (Zählpfeile und Definitionen) Transformatoren Drehstromsysteme Verhalten bei Oberschwingungen Leistungsarten und Kennwerte nichtsinusförmiger Ströme und Spannungen.. 59 A. Effektivwerte B. Wirkleistungen C. Kennwerte a) Scheitelfaktor b) Formfaktor c) Oberschwingungsgehalt d) Grundschwingungsgehalt e) Welligkeit D. Leistungsbilanz und Leistungsarten oberschwingungsbehafteter Ströme und Spannungen Kennwerte bei nichtsinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung; Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor Literatur Anhang 2A. Winkelfunktionen Additionstheoreme Bauelemente der Leistungselektronik Allgemeines Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik a) Eigenleitung b) Störstellenleitung Diode Statisches Verhalten a) p n-übergang ohne angelegte Spannung b) p n-übergang mit außen in Durchlaßrichtung angelegter Spannung c) p n-übergang mit außen in Sperrichtung angelegter Spannung Dynamisches Verhalten a) Sperrschichtkapazität b) Diffusionskapazität (Kapazität einer leitenden Diode) Abhängigkeiten von der Temperatur a) Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes b) Temperaturabhängigkeit der Durchlaßspannung Transistoren Aufbau und Wirkungsweise Stromverstärkung Kennlinienfeld Grenzdaten von Transistoren und Kühlung Spannungsgrenzen a) Durchbruch 1. Art b) Punch Through c) Durchbruch 2. Art (Second Breakdown) Stromgrenze Leistungsgrenze Kühlung

3 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXIII Grenzdaten bei Schalt- oder Impulsbetrieb Zusammenstellung der Grenzwerte Lebensdauer des Leistungstransistors Parallelschaltung und Verluste Aufteilung des Gesamtstromes Stromverstärkungsverlauf und minimale Steuer- und Durchlaßverluste Zeitliches Schaltverhalten Transistoren für höhere Spannungen Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Statisches Verhalten und Zündung Sperrzustand in Rückwärtsrichtung Sperrzustand in Vorwärtsrichtung (Blockierzustand) Durchlaßzustand Zündvorgang und Eingangskennlinie Empfohlene Steuerdaten Dynamisches Verhalten; Schaltvorgänge Große Spannungssteilheit in Vorwärtsrichtung Einschaltvorgang und hohes di/dt a) Zündverzugszeit t gd b) Durchschaltzeit t gr c) Zündausbreitungszeit t gs (auch t sp ) Ausschaltvorgang Freiwerdezeit a) Spannungsnachlaufzeit t s b) Freiwerdezeit t q Spannungsnachlaufzeit t s Rückstrom i R Freiwerdezeit t q Thermisches Verhalten Verlustleistung Statische Verluste Dynamische Verluste Ermittlung des Temperaturverlaufs und Kühlung Beschaltung von Thyristoren Dämpfung der Ausschaltüberspannungen (TSE-Beschaltung) Serienschaltung von Thyristoren Parallelschaltung von Thyristoren Überstrom- und Überspannungsschutz Grenzkennlinien Bauformen Technologische Verbesserungen Amplifying Gate [größeres (di/dt) max ] Querfeldemitter Shorted Emitter pin-übergänge, Kantenabschrägung (Erhöhung der Sperrspannung) Vergleich von Transistor und Thyristor Unterschiede im Aufbau und im statischen Betrieb Unterschiede im Schaltbetrieb Unterschiede in den dynamischen Grenzwerten und bei Überlastung Weitere Unterschiede Zusammenfassung Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik Unijunction-Transistor (Doppelbasisdiode) Triac

4 XXIV Inhaltsverzeichnis Band Diac, Glimmlampe Literatur Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen Allgemeines Einteilungsgrundsätze leistungselektronischer Schaltungen A. Klassifizierung nach DIN a) Klassifikation nach der Führung, d. h. nach der Herkunft der Kommutierungsspannung b) Klassifikation nach der Herkunft der Taktfrequenz c) Klassifikation nach der Art der Energieumwandlung B. Klassifikation nach General Electric C. Unterscheidung nach den verwendeten elektrischen Schaltelementen. 134 D. Klassifikation nach Anwendungsgebieten, Leistungsbereichen etc Fremdgeführte Schaltungen Allgemeines Netzgeführte Schaltungen Grundbegriffe zur Arbeitsweise netzgeführter Schaltungen Löschung Zündverzögerung und Kommutierung Grundlegende Betriebsfälle a) Rein ohmsche Last b) Ohmsche Last und Gegenspannung c) Induktivität als Last d) Kapazität als Last e) Induktivitäten L a in den Ventilzweigen f) Gegenspannung im verketteten Kreis unter Berücksichtigung der Induktivitäten L a g) Ohmscher Widerstand und Induktivität als Last Überlappung Anschnittsteuerung: Gleich- und Wechselrichterbetrieb; Überlappung Prinzipielles zur Spannungssteuerung Steuerungskennlinien bei Anschnittsteuerung für p = a) Rein ohmsche Last b) Ohmsch-induktive und rein induktive Last Lückender und nichtlückender Betrieb und Steuerungsgesetze für p > Wechselrichterbetrieb bei Netzführung Überlappung Innere Spannungsabfälle Grundlegende Arten von netzgeführten Schaltungen Mittelpunktschaltungen Brückenschaltungen A. Vollgesteuerte Brücken a) Einphasiges System b) Dreiphasiges System B. Halbgesteuerte Brücken a) Einphasiges System mit symmetrischer Steuerung b) Einphasiges System mit unsymmetrischer Steuerung c) Halbgesteuerte Dreiphasen-Brückenschaltung Saugdrosselschaltung

5 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXV Wechselstrom- sowie Drehstromschalter und -steller Wechselstromsteller Drehstromsteller Wechsel- und Drehstromschalter Spezielle Probleme der Schaltungen mit Netzführung A. Sperrspannungen an den elektrischen Ventilen B. Überstrom- und Kurzschlußverhalten a) Schaltung M3 ungesteuert b) Schaltung M3 gesteuert c) Schaltung B6 ungesteuert d) Schaltung B6 gesteuert C. Betriebskennlinien (äußere Charakteristik) D. Kippung Lastgeführte Schaltungen Selbstgeführte Schaltungen Allgemeines Gleichstromsteller Prinzipielle Wirkungsweise a) Keine Zuleitungsinduktivität b) Berücksichtigung der Zuleitungsinduktivität L e Anordnung von Löschschaltungen Weitere Löschschaltungen und Erweiterungen Allgemeines Systematik der Löschschaltungen A. Schaltungen mit nur einem Thyristor a) Löschung mit Hilfe einer (z. B. externen) Wechselspannungsquelle Schaltung mit nur einem Thyristor b) Löschung mit Hilfe von Schwingkreisen B. Schaltungen mit mehreren Thyristoren a) Schaltungen mit Löschthyristoren b) Schaltungen mit mehreren Hauptthyristoren Schaltungstechnische Erweiterungen und Verbesserungen der Löschschaltungen Energierückgewinnung Zwei- und Vierquadrantensteller, Prinzip des selbstgeführten Wechselrichters a) Zweiquadrantensteller b) Vierquadrantensteller Pulsgesteuerter Widerstand Einschaltprobleme bei Gleichstromstellern bzw. bei Löschschaltungen Selbstgeführte Wechselrichter, Pulswechselrichter Allgemeines Einphasige Schaltungen Mittelpunktschaltungen a) Prinzipielle Wirkungsweise b) Prinzipielles zur Kommutierung: Folgelöschung und Einzellöschung 280 c) Weitere Details zur Folgelöschung c1) Rückarbeitsdioden c2) Sperrdioden Brückenschaltungen A. Einzellöschung a) Treiben

6 XXVI Inhaltsverzeichnis Band 1 b) Umschalten von Treiben auf Freilauf c) Umschalten von Treiben auf Gegenspannung B. Folgelöschung Dreiphasige Wechselrichter Allgemeines Phasenfolgelöschung Spannungsverläufe a) 120 -Leitbereitschaft a1) Rein ohmsche Last a2) Ohmsch-induktive Last b) 180 -Leitbereitschaft Einzellöschung Belastung durch Wechselstrommotoren Steuerung der Ausgangsspannung Zwischenkreise, Umrichter (Spannungs-)Wechselrichter (Umrichter) mit steuerbarer Zwischenkreisspannung a) Allgemeines und Phasenfolgelöschung b) Phasenlöschung (Puls-)Wechselrichter (Umrichter) mit konstanter Zwischenkreisspannung (Puls-Spannungswechselrichter) Wechselrichter (Umrichter) mit Gleichstromzwischenkreis (Stromwechselrichter) Vergleich von Spannungswechselrichtern und Stromwechselrichtern sowie Zusammenfassung I) Zusammenfassung der Eigenschaften selbstgeführter Wechselrichter im allgemeinen Stromwechselrichter A. Eigenschaften B. Schaltungstechnik (Strukturen) und Steuerung der Ausgangsspannung a) Schaltungsstrukturen b) Ausgangsspannungssteuerung C. Vorteile D. Nachteile Spannungswechselrichter A. Eigenschaften B. Schaltungstechnik (Strukturen) und Steuerung der Ausgangsspannung a) Schaltungsstrukturen b) Ausgangsspannungssteuerung C. Vorteile D. Nachteile II) Speziellere Aussagen zu den Zwischenkreiswechselrichtern Löschungsarten Betriebskennlinien selbstgeführter Schaltungen Literatur Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik A.1 Allgemeines A.2 Momenten / Zeit- bzw. Drehzahl / Zeit-Verlauf A.3 Asynchronmotor und Ventilator mit verstellbaren Flügeln a) Wahl des Motors

7 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXVII b) Allgemeine Bestimmung der Leistungen und Verluste c) Numerische Auswertung A.4 Gleichstrommotor und Ventilator mit feststehenden Flügeln a) Wahl des Motors b) Allgemeine Bestimmung der Leistungen und Verluste c) Numerische Auswertung A.5 Berechnung der Blindleistungen für beide Motoren a) Asynchronmotor b) Gleichstrommotor A.6 Zusammenfassung Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen a) Schaltung nach Abb b) Schaltung nach Abb. 4.88a c) Schaltung nach Abb d) Zusammenfassung Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen C.1 Allgemeines C.2 u-zi-diagramm für den Löschkondensator eines Gleichstromstellers C.3 Aufladevorgang bei selbstgeführten Wechselrichtern C.4 McMurray-Inverter C.5 Betriebskennlinien C.6 Strukturen der Löschschaltungen Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und D.1 Tafel 4.1 (Systeme der Leistungselektronik) D.2 Tafel 4.2 (Strukturen selbstgeführter Schaltungen) Anhang 4E. Dimensionierungshinweise E.1 Netzgeführte Schaltungen E.2 Selbstgeführte Schaltungen E.2.1 Gleichstromsteller a) Bestimmung der Größe des Löschkondensators und Allgemeines zur Thyristorauswahl b) Dimensionierung des Löschkondensators hinsichtlich Spannungsfestigkeit c) Einfluß von nicht geglättetem Laststrom d) Dimensionierung von L u E.2.2 Selbstgeführte Wechselrichter E Allgemeines E Dimensionierung von Kondensatoren und Induktivitäten E Spannungswechselrichter a) Allgemeines b) Dimensionierung von Schwingkreisen am Beispiel der Schaltung nach Abb. 4C c) Dimensionierung bei Einzellöschung d) Dimensionierung bei Phasenfolgelöschung E Stromwechselrichter E Dimensionierung von Thyristoren und Dioden E Dimensionierung der Zwischenkreise E.3 Auslegung der Steuerungskreise Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen) Allgemeines

8 XXVIII Inhaltsverzeichnis Band Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel- und Drehstromsteller Steuerungen bei Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität und allgemeine Prinzipien Steuerungen bei Verbrauchern mit induktivem Anteil Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung) Allgemeines Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität Nullspannungsschalter in diskreter Ausführung Integrierte Nullspannungsschalter Induktive Last Nullstromsteuerung Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern Einführung, Drehmoment Drehzahl-Diagramm Einquadrantenbetrieb a) Einphasige halbgesteuerte Brückenschaltung b) Dreiphasige halbgesteuerte Brückenschaltung Zweiquadrantenbetrieb Umkehrbetrieb (Vierquadrantenbetrieb) a) Allgemeines: Eingriffe im Ankerkreis und im Feldkreis b) Ankerkreisumschaltung c) Kreisstromfreie Ankerstromumkehr d) Kreisstrombehaftete Ankerstromumkehr d1) Umkehrstromrichter mit Mittelpunktschaltungen d2) Umkehrstromrichter mit Brückenschaltungen e) Feldumkehr durch gesteuerte Stromrichter f) Feldkreisumschaltung Zusammenfassung der Steuerungsgesetze Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode Vollgesteuerte Schaltungen mit Freilaufdiode Halbgesteuerte Schaltungen a) Gute Glättung b) Ohmsche Last Zusammenfassung der Steuerkennlinien und Kompoundierung Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller a) Impulsbreitensteuerung b) Impulsfolgesteuerung c) Zweipunktregelung Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen Steuerung der Eingangsgleichspannung Zündeinsatzsteuerung (Zündwinkelsteuerung, Impulsbreitensteuerung mit einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung) Impulsbreitensteuerung (mit mehr als einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung; einfache Form des Pulswechselrichters) Erzeugung sinusähnlicher Spannungen (Pulswechselrichter) Erhöhung der Pulszahl Generelles zum dreiphasigen Betrieb Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischenkreis Allgemeine Steuerung Stromrichtermotor Direktumrichter und ihre Steuerungen a) Trapezumrichter b) Steuerumrichter

9 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXIX 5.9 Transvektorregelung Weitere Steuerungsarten Literatur Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen Allgemeines Vorschriften Internationale Vorschriften und elektrische Netze a) Allgemeines b) Netzimpedanzen c) Genormte Netzimpedanz d) Kurzschlußleistung e) Zulässige Größe von Spannungsoberschwingungen bei Anschnittsteuerung 472 f) Flicker g) Statistische Überlegungen Nationale Vorschriften a) Symmetrische Phasenanschnittsteuerung b) Unsymmetrische Phasenanschnittsteuerung c) Grenzen der Taktleistung bei Schwingungspaketsteuerung Ergänzende Bemerkungen Leistungsfaktor und Oberschwingungen Gesteuerte Gleich- und Wechselrichter mit Netzführung Leistungsfaktor cos ϕ Oberschwingungen des Netzstromes und der Lastspannung Überlappung u = a) Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode b) Halbgesteuerte Schaltungen bzw. Verwendung einer Freilaufdiode Überlappung u > Kommutierungseinbrüche Nullspannungssteuerung (Impulspaket- oder Schwingungspaketsteuerung) Wechselstrom- und Drehstromsteller Direktumrichter Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes Allgemeines Maßnahmen durch geeignete Wahl bzw. Auslegung der leistungselektronischen Schaltung Verbesserung des Leistungsfaktors Freilaufdioden Folgesteuerung Vollständige Elimination der Phasenverschiebung und Erzeugung kapazitiven Verhaltens Weitere Methoden zur Reduktion der Phasenverschiebung im Netz Vergleich der angegebenen Methoden bezüglich Blindleistung Reduktion der Netzstromharmonischen Erhöhung der Pulszahl Steuerungstechnische Maßnahmen zur Reduktion der Netzstromoberschwingungen Gleichzeitige Optimierung von Leistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt

10 XXX Inhaltsverzeichnis Band Kompensationsmethoden (Störungsminderung durch Zusatzeinrichtungen außerhalb der leistungselektronischen Schaltung) Allgemeines Verbesserung des Leistungsfaktors Verbesserung des Oberschwingungsverhaltens Filter (Saugkreise) Statistische Kompensation von Oberschwingungen Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts- und Leistungsfaktoroptimierung Allgemeine Prinzipien Steuerungsgesetze für ohmsche Last Steuerungsgesetze für induktive Last Filter (Saugkreise, Siebkreise) Allgemeines Filter bei netzgeführten Schaltungen Glättung von Lastspannungen a) Glättungsinduktivität b) Allgemeine Filter Glättung des Netzstromes Filter für selbstgeführte Schaltungen Aufbau und Übertragungsfunktion Dimensionierung von L und C Das Ott-Filter Weitere Methoden zur Verbesserung der Ausgangsspannung Transformatoren für Stromrichter Allgemeines Einpuls-Mittelpunktschaltung (Ml) Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2) Zweipuls-Brückenschaltung (B2) a) Große Glättungsdrossel (induktive Last), vollgesteuert b) Ohmsche Last, vollgesteuert c) Halbgesteuerte Brückenschaltungen (B2H) Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3) Sechspulsschaltungen Dreiphasige Reihenschaltung Sechspuls-Brückenschaltung (Dreiphasen-Brückenschaltung B6) Sechspuls-Mittelpunktschaltung (M6) Saugdrosselschaltung (Doppel-Dreipuls-Mittelpunktschaltung, parallel, M3.2) Berechnung der Transformatortypenleistung Berechnung der Saugdrosseltypenleistung Sperrspannung Vergleichendes Beispiel: Dimensionierung mit Brücken- und Saugdrosselschaltung a) Saugdrosselschaltung b) Sechspuls-Brückenschaltung mit Yy Ergänzende Bemerkungen Berücksichtigung der Überlappung Berücksichtigung der Magnetisierungskennlinien Bemerkungen zu Tafel 6.1 (Spannungen und Ströme wichtiger netzgeführter Schaltungen mit Zahlenbeispielen) Literatur

11 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXXI 7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Einführung Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen Vorschriften, Normen und Meßmethoden Allgemeines Störspannung im Bereich von 0 bis 20 khz und Gefährdungsspannung Praktisches Beispiel Geräuschspannung (Stör- und Fremdspannung) Längsspannung (Gefährdungsspannung) Störungen im Bereich von 150 khz bis 30 MHz Störungen im Bereich ab 30 MHz Zusammenfassung Berechnungen von Beeinflussungsspannungen Entstörungsmaßnahmen Literatur Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick) Allgemeines Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Leistungselektronik in Flugzeugen und in der Raumfahrt Erzeugung hoher Gleichspannung für geringe Leistungen Netzgeräte Stromversorgung in der Elektrochemie Weitere Stromversorgungsanlagen Thyristor-Wechselspannungsregler Ladegleichrichter Widerstandsschweißen Anwendungen von Wechsel- und Drehstromstellern Thyristoren bei Induktionsheizungs- und Induktionsschmelzanlagen Verschiedene Anwendungen für kleine Leistungen Thyristorerregung von Synchronmaschinen Leistungselektronische Schaltungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Netzen Oberschwingungen (Netzrückwirkungen und Funkstörungen) Stromrichterantriebe einschließlich Anwendungen in Fahrzeugen a) Gleichstromantriebe b) Wechselstromantriebe Gleichstromantriebe Anwendung von netzgeführten Stromrichtern Anwendung von Gleichstromstellern Wechselstromantriebe Systeme mit nicht steuerbarer Frequenz a) Drehstromsteller b) Untersynchrone Stromrichterkaskade c) Gepulster Läuferwiderstand Systeme mit steuerbarer Frequenz a) Direktumrichter b) Selbstgeführte Umrichter Vergleich Drehstromantrieb Gleichstromantrieb Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik

12 XXXII Inhaltsverzeichnis Band Thyristorsteuerung mit Mikroprozessoren Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik Literatur Anhang 8A. Neuere Methoden für Spannungssteuerungen und Stromregelungen Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke Einleitung Deutsch- und englischsprachige Fachzeitschriften, in denen regelmäßig (zumindest des öfteren) leistungselektronische Probleme behandelt werden bzw. wurden Konferenzen Sammelwerke Normen Grundlegende Normen Bauelemente Schaltungstechnik Netzrückwirkungen EMV Zusammenfassende und erläuternde Publikationen zu den deutschen (bzw. auch zu internationalen) Vorschriften zur EMV Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen Einführung Grundsätzliches Moderne Leistungshalbleiter (Überblick) Allgemeine Betrachtung von Leitmechanismen in Halbleitern a) Zufuhr von Energie b) Majoritätsladungsträger b) Minoritätsladungsträger Dioden in der Leistungselektronik Einleitung Ein- und Ausschaltverhalten schneller Leistungsdioden pin- und psn-dioden a) Thermischer Durchbruch b) Lawinendurchbruch (= Avalancheeffekt) c) Zenereffekt Schottkydioden Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke Einführung Aufbau Schaltverhalten Antisättigungsnetzwerke Parallelbetrieb Entlastungsnetzwerke Ausschaltentlastung Einschaltentlastung Verlustleistungsoptimierung Darlingtonstufe Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs) Einführung Aufbau Funktionsweise Einschaltvorgang

13 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXXIII Ausschaltvorgang Dynamischer Avalanche Steuergenerator Reihen- und Parallelschaltung von GTOs Power-MOSFET Aufbau und Wirkungsweise Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Betriebsgrenzen Gatespannung Drainspannung Drainspannungsanstieg Drainstrom Thermische Grenzen Safe Operating Area (SOA) Verluste Statische Verluste Dynamische Verluste Beschaltungen des MOSFETs Gatebeschaltung Schutzbeschaltungen Parallelbetrieb Typische Ansteuerschaltungen Elektrisch isolierte Ansteuerungen Ansteuerung mit logischen Gattern Synchrongleichrichter IGBT Allgemeines Prinzipieller Aufbau Technische Ausführungsformen Punch-Through-IGBT Non-Punch-Through-IGBT Vergleich Punch-Through-IGBT Non-Punch-Through-IGBT FS-IGBT (Field-Stop-IGBT) Trench-IGBT Funktionsweise (Physikalische Grundlagen) Einschaltvorgang A. Betrachtung über die Ladungsträgerpaare B. Einfachere Betrachtungsweise über die einzelnen Ladungsträgerarten Ausschaltvorgang Ersatzschaltbild Schaltkreissymbole Statisches Strom Spannungs-Verhalten Grundsätzliches Durchlaßeigenschaften Dynamisches Strom Spannungs-Verhalten Einschalten Ausschalten Schweifstrom Millereffekt Ein- und Ausschaltverluste (hartes Schalten) Näherungsweise Berechnung

14 XXXIV Inhaltsverzeichnis Band Kompromiß zwischen Durchlaßspannung und Ausschaltzeit Beeinflussung der Ausschaltverluste durch eine negative Gate Emitter- Spannung Anforderungen an Ansteuerschaltungen a) Potentialtrennung zur Regelelektronik b) Schutz der Signalwege bei hohen Potentialänderungsgeschwindigkeiten. 724 c) Schutz gegen Querkurzschlüsse bei Halbbrückenzweigen d) Schutz gegen Fehlschaltungen bei noch nicht vollständig aufgebauten Versorgungsspannungen e) Schutz gegen Überstrom, Kurzschluß und Überspannung Schaltentlastungsnetzwerke für IGBTs Schutz des IGBTs Überspannung Überstrom Betriebsgrenzen SOA (Safe Operating Area) FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area) RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area) Latch-Up (Einrasten) Statisches Latch-Up Dynamisches Latch-Up Verhinderung des Latch-Up Parallelschaltbarkeit Einflüsse unterschiedlicher Parameter, Bauteilselektion Beschaltungsmaßnahmen Layoutmaßnahmen Einfluß unterschiedlicher Sperrschichttemperaturen Herabsetzen der Nennbelastung (Derating) Serienschaltbarkeit Einflüsse unterschiedlicher Parameter Beschaltungsmaßnahmen Aktive Methoden der Spannungssymmetrierung Master-Slave-Prinzip Schaltzeitenkorrektur Schlußfolgerungen IGCT und Vergleich mit dem IGBT IGCT Einleitung Aufbau des Wafers Transparenter Emitter Pufferzone Funktionsweise Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Aufbau des Gehäuses mit Gatesteuerleitung Vorgeschlagenes Symbol für die Schalt- und Stromlaufpläne Vergleich zwischen IGCT (GTO) und IGBT Vergleich von 3,3 kv-leistungshalbleiterschaltern Ausfallswahrscheinlichkeit Kosten Zusammenfassung: Vorteile Nachteile Ausblick

15 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXXV 10.8 MOS-Controlled Thyristor (MCT) Funktionsweise des MCTs Realisierung des MCTs Zulässige Gatespannungs-Kurvenformen Spezifikation der Gatespannungs-Kurvenform Negative Amplitude, MCT eingeschaltet Negative Spannungsflanke Positive Amplitude Positive Flanke Derating MCT-Ansteuerschaltungen Einsatzgebiete des MCTs Ansteuerschaltungen für MGDs Einführung Anwendungsgebiete für Treiber a) Gatewiderstand b) Parasitäre Effekte c) Low-Side- und High-Side-Treiber MOSFETs und IGBTs MCTs Ein- und Ausschaltvorgang unter Einfluß des Gatewiderstandes Gatewiderstand a) Vorgaben des Herstellers b) Schaltfrequenz c) Schutzbeschaltungen d) Abstand zwischen Schaltelement und Treiber e) Schaltverluste Einschaltvorgang Anfangsverzögerung T DLY Einschalten und zweite Verzögerung T DLY Endgültiges Einschalten Ausschaltvorgang Low- und High-Side-Driving Low-Side-Driving (Treiber) High-Side-Driving (Treiber) Getrennte Gateversorgung Bootstrap-Verfahren Ladungspumpe Impulstransformator Carrier Drive Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Leistungskreis Optische Isolation Transformator Ergänzende Details du / dt- und di / dt-induziertes Einschalten Unterspannungserkennung UVLO Sense-Eingang Sicherheitsausschaltung Parallele Treiber Überspannungsschutz und Snubbernetzwerke Externe Überspannungen a) Hochfrequente Überspannungen

16 XXXVI Inhaltsverzeichnis Band 1 b) Niederfrequente Überspannungen Interne Überspannungen Schaltungsentwurf mit Hilfe der Gate-Charge Vergleiche von industriell erzeugten Treibern Einzelchiptreiber A. Pufferverstärker B. Einzeltreiber C. Halbbrücken-, Vollbrücken- und Dreiphasentreiber D. Treiber mit eingebauten Leistungs-FETs E. Hybride Treiberbausteine F. Treiber für Spezialanwendungen Treibermodule Cool-MOS Allgemeines Aufbau Optimiertes Schaltverhalten und reduzierte Kapazitäten Neuartiger Aufbau von Netzteilen Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh) Static Induction Transistor (SIT) Allgemeines Langkanal-JFET Kurzkanal-JFET = SIT (Überblick) Aufbau Funktionsdetails Betriebsverhalten des SITs Static Induction Thyristor (SITh) Aufbau und Allgemeines Betriebsverhalten Trench-Elemente und MCD-Strukturen Trench-IGBT pn n-dioden pn n-dioden mit MOS-Steuerköpfen Trench-Diode nach dem MCD-Prinzip Trench-Double-Zelle (TD-IGBT) Trench-MOS-Thyristor-Zelle (TMCT) Smart-Power-ICs Isolationstechniken Dielektrische Isolation Selbstisolation (implizite Isolation) Sperrschichtenisolation Integrierte Leistungsbauelemente Vertikal- und Horizontalstrukturen Multipower-BCD Schutzschaltungen Übertemperatur Kurzschlüsse Kurzschluß des Ausganges gegen die Versorgung bzw. Masse Kurzschluß der Versorgungsspannung Kurzschluß der Last Schutzmaßnahmen gegen Überstrom Unterbrechungen Verlustleistungsbegrenzung