Franz Zach. Leistungselektronik. Ein Handbuch. Bandi. Vierte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

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1 Franz Zach Leistungselektronik Ein Handbuch Bandi Vierte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage SpringerWienNewYork

2 Inhalt - Übersicht - 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 4 2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen Mathematische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Literatur, 70 Anhang 2A. Winkelfunktionen - Additionstheoreme Bauelemente der Leistungselektronik Allgemeines Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik Diode Transistoren Thyristoren Vergleich von Transistor und Thyristor Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik Literatur Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen Fremdgeführte Schaltungen Selbstgeführte Schaltungen Literatur 333 Anhang 4A. Dimensionierangsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen 355 Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen 365 Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und Anhang 4E. Dimensionierangshinweise Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen) Allgemeines Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel-und Drehstromsteller

3 XVI Inhalt - Übersicht - Band Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung) Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischenkreis Direktumrichter und ihre Steuerungen Transvektorregelung WeitereSteuerungsarten Literatur Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen Leistungsfaktor und Oberschwingungen Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts-und Leistungsfaktoroptimierung Filter (Saugkreise, Siebkreise) Transformatoren für Stromrichter Literatur Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Einführung Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen Vorschriften, Normen und Meßmethoden 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 Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik Thyristorsteuerung mit Mikroprozessoren Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik 608

4 Inhalt - Übersicht - Band 1 XVII 8.22 Literatur 608 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 Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen Einführung Dioden in der Leistungselektronik Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs) Power-MOSFET IGBT IGCT und Vergleich mit dem IGBT MOS-Controlled Thyristor (MCT) Ansteuerschaltungen für MGDs Cool-MOS Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh) Trench-Elemente und MCD-Strukturen Smart-Power-ICs Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen Literatur Strukturen der Schaltnetzteile Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung Potentialgetrennte Wandler Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen Resonante, Quasi-und Pseudoresonante Schaltungen Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik Praktische Aspekte Literatur Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen Regelungskonzepte für Schaltnetzteile Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile Boost-Konverter-Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen Buck-Boost (Flyback-)Konverter - Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen Regelung von Schaltnetzteilen - Ergänzungen und Beispiele Steuer-und Regelschaltungen für Schaltnetzteile (SNTs) Neuere Regelungs-ICs für Schaltnetzteile Praktische Aspekte - Verbesserung der Kreuzregelung Literatur 1615

5 Inhalt - Übersicht - Band 2 Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole XXVII 13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen Gleichstromsteller Wechselrichter Zusammenfassung Literatur Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen Allgemeines Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen Dreiphasige (Puls-)Gleichrichterschaltungen mit geringen Netzrückwirkungen Vienna Rectifier Analyse der dreiphasigen AC-DC-Pulsumrichter - Raumzeigerdarstellungen, Grundund Oberschwingungen Sieb-und Gleichrichterschaltungen Methoden für die Stromrippelminimierung Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen Literatur Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung Skin-und Proximityeffekte in Transformatorwicklungen Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste Leistungsübertrager und Spulen - Entwurf und Dimensionierung Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten Kondensatoren Magnetische Materialien und Kondensatoren - Begriffe Literatur 2000 Anhang 15A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren С und Ki sowie Rhombusdiagramm Spezielle Methoden und Anwendungen Überblick und typische Beispiele Sperrschwingwandler Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC Matrixumrichter Solarkonverter Verstärker Netzgekoppelte Pulsumrichter - Aktive Rippelkompensation Leistungselektronik im KFZ 2291

6 Inhalt - Übersicht - Band 2 XIX 16.9 Beeinflussungen der Arbeitsweise Literatur Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung Allgemeines EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV) Kopplungsmechanismen Störquellen (Aktive EMV) Störsignale an der Störsenke (Passive EMV) Reduktion von Störungen (der aktiven EMV) und Erhöhung der Störfestigkeit (der passiven EMV) EMV-Normung und CE-Kennzeichnung Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung Einteilungsgrundsätze der Störungsarten und praktische Hinweise Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte Beeinflussung von Nachrichtenleitungen durch Schaltungen der Leistungselektronik - Analytische Berechnung Literatur 2606 Namen- und Sachverzeichnis 2611 Verzeichnis der Tafeln und Tabellen 2783

7 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 4 2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen Mathematische Grundlagen Fouriersche Reihen Allgemeine Formeln Spezielle Funktionen bzw. Symmetrien Wichtige Fourierreihen Allgemeine Verläufe Spezielle Funktionen der Leistungselektronik 18 A. Primärstrom einer zweipulsigen Schaltung 18 B. Primärstrom einer dreipulsigen Schaltung 19 C. Typischer Strom einer sechspulsigen Brückenschaltung 21 D. Stromverlauf aus Sinus-Kuppen 22 E. Stromverlauf aus Trapez-Impulsen 25 F. Primärstrom einer sechspulsigen Mittelpunktschaltung 27 G. Lastspannung bei Einweggleichrichtung mit Freilaufdiode bzw. bei rein ohmscher Last 28 H. Lastspannung bei Zweiweggleichrichtung mit Freilaufdiode bzw. rein ohmscher Last 31 I. Lastspannung bei Zweiweggleichrichtung (zweipulsig) und für allgemeine Pulszahl p sowie Lastinduktivität > ; keine Freilaufdiode.. 34 J. Lastspannung im dreipulsigen Fall (keine Freilaufdiode, Lastinduktivität» o) 41 K. Lastspannung im sechspulsigen Fall (keine Freilaufdiode, Lastinduktivität -> ее) 43 L. Spannungseinbrüche bei Kommutierungen Ergänzende Bemerkungen zu den Fourierschen Reihen 47 A. Zusammengesetzte Funktionen 47 B. Fast-Fourier-Transformation 49 C. Bildung neuer Funktionen durch Verschiebung in Richtung Ordinate oder Abszisse 49 D. Weitere spezielle Fourierreihen 49

8 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 59 B. Wirkleistungen 61 C. Kennwerte 62 a) Scheitelfaktor 62 b) Formfaktor 62 c) Oberschwingungsgehalt 62 d) Grundschwingungsgehalt 62 e) Welligkeit 62 D. Leistungsbilanz und Leistungsarten oberschwingungsbehafteter Ströme und Spannungen Kennwerte bei nichtsinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung; Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor Literatur 70 Anhang 2A. Winkelfunktionen - Additionstheoreme Bauelemente der Leistungselektronik Allgemeines Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik 73 a) Eigenleitung 74 b) Störstellenleitung Diode Statisches Verhalten 75 a) p-n-übergang ohne angelegte Spannung 75 b) p-n-übergang mit außen in Durchlaßrichtung angelegter Spannung 76 c) p-n-übergang mit außen in Sperrichtung angelegter Spannung Dynamisches Verhalten 77 a) Sperrschichtkapazität 77 b) Diffusionskapazität (Kapazität einer leitenden Diode) Abhängigkeiten von der Temperatur 78 a) Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes 78 b) Temperaturabhängigkeit der Durchlaßspannung Transistoren Aufbau und Wirkungsweise Stromverstärkung Kennlinienfeld Grenzdaten von Transistoren und Kühlung Spannungsgrenzen 83 a) Durchbruch 1. Art 83 b) Punch Through 83 c) Durchbruch 2. Art (Second Breakdown) Stromgrenze Leistungsgrenze Kühlung 84 l

9 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 100 a) Zündverzugszeit t g j 100 b) Durchschaltzeit t gr 101 c) Zündausbreitungszeit t gs (auch t sp ) Ausschaltvorgang - Freiwerdezeit 102 a) Spannungsnachlaufzeit t, 103 b) Freiwerdezeit t q Spannungsnachlaufzeit f^ - Rückstrom ig 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) mm ] Querfeldemitter Shorted Emitter рш-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 127

10 XXIV Inhaltsverzeichnis Band Diac, Glimmlampe Literatur Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen Allgemeines Einteilungsgrundsätze leistungselektronischer Schaltungen 131 A. Klassifizierung nach DIN 131 a) Klassifikation nach der Führung, d. h. nach der Herkunft der Kommutierungsspannung 131 b) Klassifikation nach der Herkunft der Taktfrequenz 133 c) Klassifikation nach der Art der Energieumwandlung 133 B. Klassifikation nach General Electric 133 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 142 a) Rein ohmsche Last 142 b) Ohmsche Last und Gegenspannung 143 c) Induktivität als Last 145 d) Kapazität als Last 147 e) Induktivitäten L a in den Ventilzweigen 150 f) Gegenspannung im verketteten Kreis unter Berücksichtigung der Induktivitäten L a 152 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 163 b) Ohmsch-induktive und rein induktive Last Lückender und nichtlückender Betrieb und Steuerungsgesetze fürp> Wechselrichterbetrieb bei Netzführung Überlappung Innere Spannungsabfälle Grundlegende Arten von netzgeführten Schaltungen Mittelpunktschaltungen Brückenschaltungen 182 A. Vollgesteuerte Brücken 182 a) Einphasiges System 182 b) Dreiphasiges System 184 B. Halbgesteuerte Brücken 188 a) Einphasiges System mit symmetrischer Steuerung 188 b) Einphasiges System mit unsymmetrischer Steuerung 191 c) Halbgesteuerte Dreiphasen-Brückenschaltung Saugdrosselschaltung 194 /

11 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXV Wechselstrom- sowie Drehstromschalter und -steller 200 Wechselstromsteller 202 Drehstromsteller 203 Wechsel- und Drehstromschalter Spezielle Probleme der Schaltungen mit Netzführung 210 A. Sperrspannungen an den elektrischen Ventilen 210 B. Überstrom-und Kurzschluß verhalten 214 a) Schaltung M3 ungesteuert 214 b) Schaltung M3 gesteuert 215 c) Schaltung B6 ungesteuert 215 d) Schaltung B6 gesteuert 217 C. Betriebskennlinien (äußere Charakteristik) 223 D. Kippung Lastgeführte Schaltungen Selbstgeführte Schaltungen Allgemeines Gleichstromsteller Prinzipielle Wirkungsweise 247 a) Keine Zuleitungsinduktivität 251 b) Berücksichtigung der Zuleitungsinduktivität L e Anordnung von Löschschaltungen Weitere Löschschaltungen und Erweiterungen Allgemeines Systematik der Löschschaltungen 257 A. Schaltungen mit nur einem Thyristor 257 a) Löschung mit Hilfe einer (z.b. externen) Wechselspannungsquelle - Schaltung mit nur einem Thyristor 257 b) Löschung mit Hilfe von Schwingkreisen 258 B. Schaltungen mit mehreren Thyristoren 259 a) Schaltungen mit Löschthyristoren 259 b) Schaltungen mit mehreren Hauptthyristoren Schaltungstechnische Erweiterungen und Verbesserungen der Löschschaltungen Energierückgewinnung Zwei- und Vierquadrantensteller, Prinzip des selbstgeführten Wechselrichters 269 a) Zweiquadrantensteller 269 b) Vierquadrantensteller Pulsgesteuerter Widerstand Einschaltprobleme bei Gleichstromstellern bzw. bei Löschschaltungen Selbstgefuhrte Wechselrichter, Pulswechselrichter Allgemeines Einphasige Schaltungen Mittelpunktschaltungen 274 a) Prinzipielle Wirkungsweise 274 b) Prinzipielles zur Kommutierung: Folgelöschung und Einzellöschung 280 c) Weitere Details zur Folgelöschung 282 cl) Rückarbeitsdioden 282 c2) Sperrdioden Brückenschaltungen 288 A. Einzellöschung 288 a) Treiben 289

12 XXVI Inhaltsverzeichnis Band 1 b) Umschalten von Treiben auf Freilauf 290 c) Umschalten von Treiben auf Gegenspannung 290 B. Folgelöschung Dreiphasige Wechselrichter Allgemeines Phasenfolgelöschung Spannungsverläufe 298 a) 120 -Leitbereitschaft 299 al) Rein ohmsche Last 299 a2) Ohmsch-induktive Last 300 b) 180 -Leitbereitschaft Einzellöschung Belastung durch Wechselstrommotoren Steuerung der Ausgangsspannung Zwischenkreise, Umrichter (Spannungs-)Wechselrichter (Umrichter) mit steuerbarer Zwischenkreisspannung 317 a) Allgemeines und Phasenfolgelöschung 317 b) Phasenlöschung (Puls-)Wechselrichter (Umrichter) mit konstanter Zwischenkreisspannung (Puls-Spannungswechselrichter) Wechselrichter (Umrichter) mit Gleichstromzwischenkreis (Stromwechselrichter) Vergleich von Spannungswechselrichtern und Stromwechselrichtern sowie Zusammenfassung 326 I) Zusammenfassung der Eigenschaften selbstgeführter Wechselrichter im allgemeinen Stromwechselrichter 327 A. Eigenschaften 327 B. Schaltungstechnik (Strukturen) und Steuerung der Ausgangsspannung 327 a) Schaltungsstrukturen 327 b) Ausgangsspannungssteuerung 328 С Vorteile 328 D. Nachteile Spannungswechselrichter 329 A. Eigenschaften 329 B. Schaltungstechnik (Strukturen) und Steuerung der Ausgangsspannung 330 a) Schaltungsstrukturen 330 b) Ausgangsspannungssteuerung 330 C. Vorteile 330 D. Nachteile 330 II) Speziellere Aussagen zu den Zwischenkreiswechselrichtern Löschungsarten Betriebskennlinien selbstgeführter Schaltungen Literatur 333 Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik A.1 Allgemeines 335 4A.2 Momenten/Zeit-bzw. Drehzahl/Zeit-Verlauf 336 4A.3 Asynchronmotor und Ventilator mit verstellbaren Flügeln 336 a) Wahl des Motors 336 /

13 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXVII b) Allgemeine Bestimmung der Leistungen und Verluste 337 c) Numerische Auswertung 338 4A.4 Gleichstrommotor und Ventilator mit feststehenden Flügeln 343 a) Wahl des Motors 343 b) Allgemeine Bestimmung der Leistungen und Verluste 344 c) Numerische Auswertung 348 4A.5 Berechnung der Blindleistungen für beide Motoren 353 a) Asynchronmotor 353 b) Gleichstrommotor 354 4A.6 Zusammenfassung 355 Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen 355 a) Schaltung nach Abb b) Schaltung nach Abb. 4.88a 360 c) Schaltung nach Abb d) Zusammenfassung 364 Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen 365 4C.1 Allgemeines 365 4C.2 M-ZZ-Diagramm für den Löschkondensator eines Gleichstromstellers 365 4C.3 Aufladevorgang bei selbstgeführten Wechselrichtern 366 4C.4 McMurray-Inverter 366 4C.5 Betriebskennlinien 369 4C.6 Strukturen der Löschschaltungen 371 Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und D. 1 Tafel 4.1 (Systeme der Leistungselektronik) 375 4D.2 Tafel 4.2 (Strukturen selbstgeführter Schaltungen) 378 Anhang 4E. Dimensionierungshinweise 378 4E.1 Netzgeführte Schaltungen 378 4E.2 Selbstgeführte Schaltungen 378 4E.2.1 Gleichstromsteller 378 a) Bestimmung der Größe des Löschkondensators und Allgemeines zur Thyristorauswahl 378 b) Dimensionierung des Löschkondensators hinsichtlich Spannungsfestigkeit 379 c) Einfluß von nicht geglättetem Laststrom 380 d) Dimensionierung von L 381 4E.2.2 Selbstgeführte Wechselrichter 382 4E Allgemeines 382 4E Dimensionierung von Kondensatoren und Induktivitäten E Spannungswechselrichter 382 a) Allgemeines 382 b) Dimensionierung von Schwingkreisen am Beispiel der Schaltung nach Abb. 4C c) Dimensionierung bei Einzellöschung 385 d) Dimensionierung bei Phasenfolgelöschung 388 4E Stromwechselrichter 389 4E Dimensionierung von Thyristoren und Dioden 390 4E Dimensionierung der Zwischenkreise 393 4E.3 Auslegung der Steuerungskreise 394 Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen) Allgemeines 395

14 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 411 a) Einphasige halbgesteuerte Brückenschaltung 411 b) Dreiphasige halbgesteuerte Brückenschaltung Zweiquadrantenbetrieb Umkehrbetrieb (Vierquadrantenbetrieb) 413 a) Allgemeines: Eingriffe im Ankerkreis und im Feldkreis 413 b) Ankerkreisumschaltung 414 c) Kreisstromfreie Ankerstromumkehr 415 d) Kreisstrombehaftete Ankerstromumkehr 417 dl) Umkehrstromrichter mit Mittelpunktschaltungen 417 d2) Umkehrstromrichter mit Brückenschaltungen 422 e) Feldumkehr durch gesteuerte Stromrichter 426 f) Feldkreisumschaltung Zusammenfassung der Steuerungsgesetze Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode Vollgesteuerte Schaltungen mit Freilaufdiode Halbgesteuerte Schaltungen 429 a) Gute Glättung 429 b) Ohmsche Last Zusammenfassung der Steuerkennlinien und Kompoundierung Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller 430 a) Impulsbreitensteuerung 431 b) Impulsfolgesteuerung 431 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 454 a) Trapezumrichter 454 b) Steuerumrichter 457

15 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXIX 5.9 Transvektorregelung Weitere Steuerungsaiten Literatur 463 Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen Allgemeines Vorschriften Internationale Vorschriften und elektrische Netze 468 a) Allgemeines 468 b) Netzimpedanzen 469 c) Genormte Netzimpedanz 471 d) Kurzschlußleistung 472 e) Zulässige Größe von Spannungsoberschwingungen bei Anschnittsteuerung 472 f) Flicker 472 g) Statistische Überlegungen Nationale Vorschriften 473 a) Symmetrische Phasenanschnittsteuerung 474 b) Unsymmetrische Phasenanschnittsteuerung 474 c) Grenzen der Taktleistung bei Schwingungspaketsteuerung Ergänzende Bemerkungen Leistungsfaktor und Oberschwingungen Gesteuerte Gleich- und Wechselrichter mit Netzführung Leistungsfaktor cos <pi Oberschwingungen des Netzstromes und der Lastspannung Überlappung и = a) Voll gesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode 477 b) Halbgesteuerte Schaltungen bzw. Verwendung einer Freilaufdiode Überlappung и > Kommutierungseinbrüche Nullspannungssteuerung (Impulspaket-oder Schwingungspaketsteuerang) 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 505

16 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 520 a) Glättungsinduktivität 520 b) Allgemeine Filter Glättung des Netzstromes Filter für selbstgeführte Schaltungen Aufbau und Übertragungsfunktion Dimensionierung von L und С Das Ott-Filter Weitere Methoden zur Verbesserung der Ausgangsspannung Transformatoren für Stromrichter Allgemeines Einpuls-Mittelpunktschaltung (Ml) Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2) Zweipuls-Brückenschaltung (B2) 540 a) Große Glättungsdrossel (induktive Last), vollgesteuert 540 b) Ohmsche Last, vollgesteuert 540 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 554 a) Saugdrosselschaltung 555 b) Sechspuls-Brückenschaltung mit YyO Ergänzende Bemerkungen Berücksichtigung der Überlappung Berücksichtigung der Magnetisierungskennlinien Bemerkungen zu Tafel 6.1 (Spannungen und Ströme wichtiger netzgeführter Schaltungen mit Zahlenbeispielen) Literatur 559

17 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) 582, 8.1 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 594 a) Gleichstromantriebe 594 b) Wechselstromantriebe Gleichstromantriebe Anwendung von netzgeführten Stromrichtern Anwendung von Gleichstromstellern Wechselstromantriebe Systeme mit nicht steuerbarer Frequenz 600 a) Drehstromsteller 600 b) Untersynchrone Stromrichterkaskade 600 c) Gepulster Läuferwiderstand Systeme mit steuerbarer Frequenz 601 a) Direktumrichter 601 b) Selbstgeführte Umrichter Vergleich Drehstromantrieb - Gleichstromantrieb Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik 604

18 XXXII Inhaltsverzeichnis Band Thyristorsteuerung mit Mikroprozessoren Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik Literatur 608 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 Beschallungen Einführung Grundsätzliches Moderne Leistungshalbleiter (Überblick) Allgemeine Betrachtung von Leitmechanismen in Halbleitern 632 a) Zufuhr von Energie 632 b) Majoritätsladungsträger 632 b) Minoritätsladungsträger Dioden in der Leistungselektronik Einleitung Ein-und Ausschaltverhalten schneller Leistungsdioden pin- und рот-dioden 637 a) Thermischer Durchbruch 638 b) Lawinendurchbruch (= Avalancheeffekt) 638 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 661

19 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 704 A. Betrachtung über die Ladungsträgerpaare 705 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 718

20 XXXIV Inhaltsverzeichnis Band Kompromiß zwischen Durchlaßspannung und Ausschaltzeit Beeinflussung der Ausschaltverluste durch eine negative Gate-Emitter- Spannung Anforderungen an Ansteuerschaltungen 722 a) Potentialtrennung zur Regelelektronik 724 b) Schutz der Signalwege bei hohen Potentialänderungsgeschwindigkeiten. 724 c) Schutz gegen Querkurzschlüsse bei Halbbrückenzweigen 724 d) Schutz gegen Fehlschaltungen bei noch nicht vollständig aufgebauten Versorgungsspannungen 725 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 Auftau 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 772

21 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 781 a) Gatewiderstand 781 b) Parasitäre Effekte 782 c) Low-Side- und High-Side-Treiber MOSFETs und IGBTs MCTs Ein-und Ausschaltvorgang unter Einfluß des Gatewiderstandes Gatewiderstand 783 a) Vorgaben des Herstellers 787 b) Schaltfrequenz 787 c) Schutzbeschaltungen 787 d) Abstand zwischen Schaltelement und Treiber 787 e) Schaltverluste Einschaltvorgang Anfangsverzögerung 7Ь/,у Einschalten und zweite Verzögerung Тви г 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 d'/dr-induziertes Einschalten Unterspannungserkennung UVLO Sense-Eingang Sicherheitsausschaltung Parallele Treiber Überspannungsschutz und Snubbernetzwerke Externe Überspannungen 820 a) Hochfrequente Überspannungen 820

22 XXXVI Inhaltsverzeichnis Band 1 b) Niederfrequente Überspannungen Interne Überspannungen Schaltungsentwurf mit Hilfe der Gate-Charge Vergleiche von industriell erzeugten Treibern Einzelchiptreiber 828 A. Pufferverstärker 828 B. Einzeltreiber 828 C. Halbbrücken-, Vollbrücken- und Dreiphasentreiber 829 D. Treiber mit eingebauten Leistungs-FETs 829 E. Hybride Treiberbausteine 829 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-diodtn 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 866

23 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXXVII Ansteuerschaltungen für Power-MOSFETs Ansteuerschaltungen für Low-Side-Schalter Ansteuerschaltungen für High-Side-Schalter Bootstraptechnik Ladungspumpe Selbstdiagnoseeinrichtungen Schnittstellen Analoge Schnittstellen Digitale Schnittstellen CAN (Controller Area Network) Anwendungen TOPFET ESD-Schutz Überspannungsschutz Übertemperaturausschaltung Kurzschlußschutz Gateansteuerung Schaltgeschwindigkeit TOPFET mit fünf Anschlüssen HITFET Super-Smart-Power-IC L Leistungsteil Mikrocontroller Spannungsversorgung und Einsatzgebiet Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen Einleitung IEGT (Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor) Allgemeines Aufbau und Wirkungsweise CSTBT (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor) Allgemeines Aufbau und Wirkungsweise и-мст mit Pufferschichte und Anodenemitter-Kurzschlüssen Allgemeines Aufbau Anodenstruktur Kathodenstraktur Charakteristische Eigenschaften DG-MCT (Dual-Gate MOS Controlled Thyristor) Allgemeines Aufbau und Wirkungsweise IGTT(IGBT Mode Turn-Off Thyristor) Allgemeines Aufbau und Wirkungsweise DGMOS der zweiten Generation (2 nd -Generation Dual-Gate MOS Thyristor) Allgemeines Aufbau und Wirkungsweise EST (Emitter-Switched Thyristor) Allgemeines Funktionsweise BRT (Base-Resistance-Controlled Thyristor) Allgemeines 888

24 XXXVIII Inhaltsverzeichnis Band Aufbau und Wirkungsweise Überblick über die Feldeffekttransistoren und spezielle MOSFET-Transistoren Allgemeines zu den Feldeffekttransistoren und deren Klassifikation VMOS (V-groove MOS) DMOS (Double-Diffused-MOS) Allgemeines zum DMOS Funktion und Wirkungsweise LDMOS(Lateral-Double-Diffused-MOS) UMOS (U-groove MOS) BiCMOS (Bipolar CMOS) Weitere Bauelementstrukturen und neue Entwicklungen Weitere Strukturen Neuere Entwicklungen Neue Materialien-Siliziumkarbid Neue Bauelementestrukturen Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen Allgemeines IGBT-Kennwerte und Bezeichnungen GTO - Kennwerte und Bezeichnungen MOSFET-Kennwerte und Bezeichnungen Literatur Strukturen der Schaltnetzteile Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung Allgemeines Überblick über Strukturen und Funktionen Struktur eines Schaltnetzteiles Resonanzwandler im Vergleich mit Rechteckwandlern Strukturvergleich Schaltnetzteile mit linearen Netzteilen Grundtopologien DC-DC-Wandler ohne galvanische Trennung (sekundärseitig getastete Schaltnetzteile) DC-DC-Wandler mit Potentialtrennung (primärseitig getastete Schaltnetzteile) Arbeitsweisen (diskontinuierliche und kontinuierliche Drosselströme bzw. lückender und nichtlückender Betrieb) bückender Betrieb (= Dreieckbetrieb oder diskontinuierlicher Betrieb) Nichtlückender Betrieb (= Trapezbetrieb oder kontinuierlicher Betrieb) Allgemeine Prinzipien zur Schaltungsanalyse DC-DC-Wandler 1. Ordnung Buck-Konverter (Tiefsetzsteller) Boost-Konverter (Hochsetzsteller) Buck-Boost-Konverter (Spannungsinverter) Weitere Strukturen Cuk-Konverter 961 a) Betrachtung der eingangsseitigen Induktivität Li 963 b) Betrachtung der ausgangsseitigen Induktivität Ьг 964 c) Kombination der Resultate für L\ und hi 965 d) Zahlenbeispiel 965 e) Hinweis für die Dimensionierung von С Weitere Strukturen höherer Ordnung Potentialgetrennte Wandler 968

25 Inhaltsverzeichnis Band 1 XXXIX Eintaktschaltungen Sperrwandler (sowie Vergleich mit dem Boost-Wandler) Trapezbetrieb (nichtlückend), 1. und 2. Steuerungsgesetz sowie allgemeine Definitionen der Steuerungsgesetze Grenzfall: Übergang vom Trapez- auf den nichtlückenden Dreieckbetrieb und Dimensionierung der Induktivitäten Dreieckbetrieb (lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz U 2 =fi(i 2,D) bzw. U 2 =f 2 {D,Ui) Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien (1. Steuerungsgesetz U 2 =/i {h,d)) Steuerungskennlinien (3. Steuerungsgesetz D = fj,(l 2,U\)) Vergleich mit dem Boostwandler und dessen Ausgangskennlinien (1. Steuergesetz U Norm = f\ N m {lnorm,d) und 2. Steuergesetz U 2 = f 2 (U U D)) Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb beim Boostwandler und Vergleich mit dem Buck-Boost-Wandler Steuerangskennlinien (3. SteuerungsgesetzD = fo{h,u\)) und Grenzkurven beim Boost-Wandler sowie Vergleich mit den Buckund Buck-Boost-Konvertern Eintakt-Durctmußwandler Trapezbetrieb (= nichtlückender Betrieb) Dreieckbetrieb (= lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz (U Norm = f\ Norm {lnorm,d) und U 2 = f 2 (D,U\)) Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien UN orm {lf/ orm,d) zum 1. Steuergesetz UNorm =fl No, m (lnorm,d) Laständerung, Grenzkurve und Steuerungskennlinie >(/ <,, {/,) (3. SteuerungsgesetzD = f 3 (I 2,U l )) Asymmetrischer Halbbrücken-Durchflußwandler Doppel-Durchflußwandler Gegentaktschaltungen Parallelgespeister Gegentakt-Durchflußwandler Seriengespeiste Gegentakt-Durchflußwandler (Symmetrischer) Halbbrücken-Durchflußwandler Vollbrücken-Durchflußwandler Wandler mit eingeprägtem Eingangsstrom Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung Allgemeines Quasiresonanter Gegentaktkonverter Schaltungsberechnung M-Zi-Diagramm für den quasiresonanten ZCS-(Lee-)Konverter SEPIC(-Konverter) mit harter Schalttechnik Einführung Funktionsprinzip Berechnung der Spannungs-und Stromverläufe Mittelwerte und Steuerungsgesetz Schaltungsvariante Quasiresonanter SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik Einführung Funktionsprinzip der ZVS-Technik Berechnung der Spannungs-und Stromverläufe Steuerungsgesetz 1041

26 XL Inhaltsverzeichnis Band Genaue Ermittlung des Tastverhältnisses Schaltungsvarianten M-Z;'-Diagramm für den quasiresonanten SEPIC(-Konverter) mit ZVS- Technik Zeta-Konverter mit harter Schalttechnik Einführung Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe Mittelwerte und Steuerungsgesetz Quasiresonanter Zeta-Konverter mit ZVS-Technik Einführung Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe Steuerungsgesetz Schaltungsvarianten «-Z;-Diagramm für einen quasiresonanten Zeta-Konverter Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen Tabellen und Tafeln zu den Strukturen aus 11.1 bis Weitere Konvertertopologien erster Ordnung Boost-Konverter mit Potentialtrennung SMART-Konverter Konvertertopologien höherer Ordnung (Vergleich) Allgemeines Cuk-Konverter SEPIC(-Konverter) Zeta-Konverter Doppelinverter Buck/Boost-Konverter mit einem induktiven Bauelement und zwei Schaltern Zusammenfassung Resonante, Quasi-und Pseudoresonante Schaltungen Allgemeines Typische Beispiele für ZCS Allgemeines Anwendungsbeispiel: Quasiresonante Tiefsetzstellerstruktur Pseudoresonante ZCS-Anwendung Typische Beispiele für ZVS Allgemeines Hochsetzsteller mit praktisch verlustloser Ein- und verlustarmer Ausschaltung des Hauptschalters (pseudoresonantes ZVS) Hochsetzsteller mit pseudoresonantem ZVS (praktisch verlustlosem Einschalten) und verlustarmer Ausschaltung von Haupt- und Hilfsschalter Allgemeines zu Pseudoresonanz (Soft Switching) und Active Clamping Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler mit galvanischer Trennung Funktionsweise Spannungsbelastung der FETs Dynamisches Verhalten Stationärer Betrieb Beispiele für zeitliche Verläufe Vorteile von Soft Switching (und Active Clamping) Nachteile von Soft Switching (und Active Clamping) Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler ohne galvanische Trennung Allgemeines 1130

27 Inhaltsverzeichnis Band 1 XLI Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Hochsetzsteller Ablauf einer Schaltperiode Strom- und Spannungsverläufe während der Netz- und Schaltperiode Vorteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz) Nachteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz) Vereinfachte (passive) Funktionsweise für Hochsetzsteller (passives Soft Switching) Ablauf einer Schaltperiode Strom-und Spannungsverläufe während einer Periode Vorteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings Nachteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Tiefsetzstellerl Ablauf einer Schaltperiode Strom-und Spannungsverläufe während einer Periode Vorteile Nachteile Zusammenfassung Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik Einleitung Kompakt/Industrie Standard / Industrie, Consumer-Low-Cost Industrial / Consumer Noise-Sensitive Kleinleistungsnetzteile, Steckernetzteile Aktive Bauelemente Leistungshalbleiter (Transistoren) 1149 a) Lateraler MOSFET 1150 b) Vertikaler MOSFET 1150 c) SIPMOS (Einzelzelle) 1151 d) Cool-MOS (=Cool-FET) 1151 e) S-FET 1154 f) Dioden Steuerbausteine 1158 a) Einchiplösungen 1158 b) Multichipmodule ASIC-Entwicklung Allgemeines Beispiel eines primärseitigen ASICs Beispiel eines sekundärseitigen ASICs Regelungsmethoden Passive Bauelemente Übertrager 1169 a) Allgemeines 1169 b) Kernform 1170 c) Spulenkörper 1171 d) Vergußtechnik 1171 e) Umspritztechnik 1171 f) Wickeltechnik 1171 g) Skin-und Proximityeffekt 1171 h) Regelung über Regelwicklung 1174 i) Mitregelung (= Kreuzregelung) 1174

28 XLII Inhaltsverzeichnis Band 1 j) Planarwandler 1175 k) Semi-Planarwandler ) EMI-Filterung im Transformator 1176 m) Schirmwicklungen Drosseln (Speicherdrosseln) Kondensatoren Regler Fertigungsaspekte Spezielle Anforderungen auf Grund von Normenänderungen Weitere Ausblicke und Trends 1186 a) Multichipmodule 1186 b) Steigerung des Wirkungsgrades Praktische Aspekte Einfluß der Wicklungskapazität auf Spannungsform und Schaltverhalten Einfluß der Schaltungsanordnung auf die effektive Wicklungskapazität Kuppeleffekt Auswirkungen von Streuinduktivitäten in Schaltnetzteilen Allgemeines Schaltungsbeispiel Durchflußwandler Betrieb ohne Streuinduktivität Effekte der Streuinduktivität bei einfachem Ausgang Auswirkungen auf die Kreuzregelung bei mehreren Ausgängen Verluste bei nichtidealen Schaltnetzteilen Literatur Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen Regelungskonzepte für Schaltnetzteile Grundlagen Wurzelortsverfahren Entwurf im Bodediagramm Polvorgabe und Regelschleifennullstellen Optimierung der Regelungen Regelung von Schaltnetzteilen - Überblick Allgemeines Direkte Regelung des Tastverhältnisses D(DDC) Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC) und Slope-Kompensation Allgemeines zur Stromregelung Externe Taktfrequenz 1222 a) Spitzen- und Mittelwert-Stromregelung 1222 b) Minimalwert-Stromregelung 1223 c) Pulsbreitenmodulation Frei schwingende Wandler 1223 a) Ausschaltzeit konstant 1223 b) Einschaltzeit konstant 1223 c) Hysterese-Stromregelung 1223 d) Spezialfall Spezielle Probleme der Spitzenwert-Stromregelung 1229 a) Klärung der Instabilität für Tastverhältnisse größer als 0,5 für nichtlückenden Betrieb Buck-Topologie Boost-Topologie 1232

29 Inhaltsverzeichnis Band 1 XL1II 3. Buck-Boost-Topologie 1233 b) Stabilisierung durch Slope-Kompensation Subharmonische Schwingneigung Strommittelwerte, Stromrippel und Topologievergleich Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC) Vergleich der Stabilität von Spitzenwert- und Mittelwert-Stromregelung Regelungskonzepte am Beispiel des Buck-Konverters im nichtlückenden Betrieb Allgemeines Direkte Regelung des Tastverhältnisses D(DDC) Der Regelkreis und seine Komponenten 1256 a) Analyse des statischen Zustandes 1256 b) Regler 1258 c) PWM und Schaltelement 1260 d) L-C-Ausgangskreis Regelschleife und Regelkreis 1263 a) Offene (Regel-)Schleife 1263 b) Geschlossener Regelkreis Zahlenbeispiel (Dimensioniereng des Spannungsreglers) Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) Der Regelkreis und seine Komponenten 1274 a) Analyse des statischen Zustandes 1274 b) Regler 1275 c) PWM und Schaltelement 1275 d) Ausgangsfilter mit Last Ru, Regelschleife und Regelkreis 1276 a) Offene Schleife 1276 b) Geschlossener Regelkreis Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers) Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC) Der Regelkreis und seine Komponenten 1281 a) Analyse des statischen Zustandes (mit h = //.) 1281 b) Regler 1283 c) Stromregelschleife 1285 d) R-C-Ausgangsfilter Regelschleife und Regelkreis 1287 a) Offene äußere Schleife 1287 b) Geschlossener äußerer Regelkreis Zahlenbeispiel (Dimensioniereng des Spannungsreglers) Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC) Der innere (Strom-)Regelkreis und seine Komponenten 1294 a) Analyse des statischen Zustandes 1294 b) Stromregler (PI-Regler) 1296 c) PWM und Schaltelement 1296 d) Übertragungsfunktion F\ (s) zwischen Spannung U, und Strom //, Innere Regelschleife und Stromregelkreis 1297 a) Offene Schleife 1297 b) Geschlossener innerer Regelkreis Zahlenbeispiel Äußerer (Spannungs-)Regelkreis und seine Komponenten a) Spannungsregler (PI-Regler) 1311 b) Führengsübertragungsfunktion des inneren Stromregelkreises c) Ausgangskreis 1312

30 XLIV Inhaltsverzeichnis Band Äußere Regelschleife und Spannungsregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis 1313 a) Offene Schleife 1313 b) Äußerer (Spannungs-)Regelkreis Zahlenbeispiel [Dimensionierung des (äußeren) Spannungsreglers] Übertragungsfunktionen - Überblick Direkte Tastverhältnisregelung Nichtlückender (= kontinuierlicher) Strom bückender (= diskontinuierlicher) Strom Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen Nichtlückender Strom bückender Strom Stromregelung Spitzenwert-Stromregelung 1322 a) Nichtlückender Betrieb 1322 b) bückender Betrieb Mittelwert-Stromregelung 1324 a) Nichtlückender Betrieb 1324 b) bückender Betrieb Regler-ICs (SNT-ICs) Anhang MATLAB ANA Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile Allgemeines Übertragungsfunktionen des Buck-Konverters Kontinuierlicher Betrieb Diskontinuierlicher Betrieb Gleichgrößen (Gleichungen des statischen Zustandes) Wechselgrößen (Gleichungen für stationäre Vorgänge) Ersatzschaltbild und stationäre Übertragungsfunktion des SEPIC(-Konverters) für nichtlückenden Betrieb Übertragungsfunktionen der sechs Grundtypen Anmerkungen zu Tafel Allgemeines Prinzipielles zur Formulierung von Steuerungsgesetzen Ergänzende Erläuterungen zu den Regelungsmethoden Direct Duty Cycle Control (DDC) Voltage Feedforward Control (VFC) Current Mode Control (CMC, Stromregelung) 1360 a) Allgemeines 1360 b) bückender Betrieb 1361 c) Nichtlückender Betrieb Stromregelung im lückenden Betrieb am Beispiel des Buck- Boost-Konverters (mit Vergleich zu Buck- und Boost-Konverter) 1361 a) Regelung auf den Stromspitzenwert 1361 b) Regelung auf den Strommittelwert Mittelwert-Stromregelung im nichtlückenden Betrieb für den Buck-Boost-Konverter Zusammenfassung Boost-Konverter-Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen Nichtlückender Betrieb 1373

31 Inhaltsverzeichnis Band 1 XLV Statisches und stationäres Verhalten Kleinsignalübertragungsfunktionen (stationäres Verhalten) Schaltungssimulation Vergleich der Kleinsignalübertragungsfunktionen mit der Literatur a) Vergleich mit Lee 1387 b) Vergleich mit Unitrode 1388 c) Vergleich mit Kislovski, Redl und Sokal Linearisierung der statischen Steuerkennlinie Mathematische Analyse der Übertragungsfunktion GU 2 D(S) Regelung des Boost-Konverters Direkte Regelung des Tastverhältnisses Mittelwert-Stromregelung für nichtlückenden Betrieb Eingangsstromregelung (beim Boost-Konverter, Anwendung für PFC) Lückender Betrieb Kleinsignalübertragungsfunktionen 1421 A. Variante 1 (mit Verwendung der Gleichungen des stationären Verhaltens) 1421 a) Kleinsignalübertragungsfunktion G^u, (?) 1423 b) Kleinsignalübertragungsfunktion Cy 2 o(i) 1425 B. Variante 2 (basierend auf der Differentialgleichung für die Kleinsignalstörungen) Mittelwert-Stromregelung für den diskontinuierlichen Betrieb Betriebsbereiche Buck-Boost (Flyback-)Konverter - Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte Allgemeines Regelungskonzepte und Übertragungsfunktionen (für nichtlückenden Betrieb) am Beispiel des Buck-Boost-Konverters Übertragungsfunktionen für die direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC) Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) Übertragungsfunktionen für die Stromregelung Übertragungsfunktionen für die Regelung des Ausgangsstromes Übertragungsfunktionen für die Regelung des Eingangsstromes (beim Buck-Boost-Konverter, Anwendung für PFC) Regler PTi -Regler ( Typ 1") PD 2 T 3 -Regler ( Typ 2") Anwendungsbereiche der beiden Reglerstrukturen Stromregelung (= Current Mode Control, CMC)-Ergänzungen Slope-Kompensation Mittelwert-(MW-) und Spitzenweit-(SW-)Stromregelung Dimensionierungsbeispiele Nichtlückender Betrieb, direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC) Regelstrecke Reglerdimensionierung Lückender Betrieb, Stromregelung Regelstrecke Reglerdimensionierung Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen Funktion von SEPIC-Konvertern mit gekoppelten Spulen Schaltung 1471

32 XLVI Inhaltsverzeichnis Band Funktionsweise Wirkung der gekoppelten Spulen Prinzipielles zur Regelung Messung des Schalterstromes Eingangsstrombegrenzung Zero-Voltage Transition Ausschaltverluste Einschaltverluste Reduktion der Verluste Mögliche Reglerauslegung SEPIC-Übertragungsfunktion Stromregler Überlagerter Spannungsregler Direkte Spannungsregelung Analyse der SEPIC(-Konverter)-Stromregelschleife Berechnung des Kleinsignalmodells Regelung von Schaltnetzteilen - Ergänzungen und Beispiele Beispiele einfacher Übertragungsfunktionen und Bodediagramme Grundsätzliches zur Bezeichnungsweise Schaltkreise erster Ordnung Tiefpaß (Polstelle in der linken Halbebene) PD-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene) PI-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene) Nullstellen in der rechten Halbebene (RHP-Zero) Schaltkreise zweiter Ordnung Analyse der Stabilität Allgemeines Regelung Übertragungsfunktion Stabilität Beispiele für Übertragungsfunktionen und Regelung von Schaltnetzteilen Einführung Leistungskreis und Filter (T 3 (s)) Allgemeines Buck-Konverter im Trapezmodus Buck-Boost-Konverter im Dreieckmodus PWM-Modulator(r 2 (s)) Modulator mit direkter Regelung des Tastverhältnisses Modulator mit Tastverhältnisregelung und Vorsteuerung (Aufschaltung der Eingangsspannung, Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen) Modulator mit unterlagerter Stromregelung 1527 a) Buck-Konverter im Trapezmodus 1527 b) Buck-Boost-Schaltung im Dreieckmodus Regler (Ti(s)) Strukturen 1531 a) Proportionalregler und allgemeiner Fall 1531 b) Regler mit einer Polstelle in der linken Halbebene (PTj -Regler) c) Regler mit einer Nullstelle in der linken Halbebene (PI-Regler) d) Regler mit zwei Pol-und Nullstellen Anwendungsbereiche 1535 a) Allgemeines 1535

33 XLVIII Inhaltsverzeichnis Band Analyse rait äquivalentem Schaltkreis Steuerung des Stromrippels Schließen der Regelschleife Literatur 1615