Joachim Specovius

Grundkurs Leistungselektronik

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

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Joachim Specovius

Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme 2., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 467 Abbildungen und 33 Tabellen

Studium Technik

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 2003 2., 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. www.vieweg.de 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, www.CorporateDesignGroup.de Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0229-3





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VII

Inhaltsverzeichnis 1

Was ist Leistungselektronik ?.............................................................................................1

2

Grundlagen...........................................................................................................................3 2.1 Die elektrische Leitfähigkeit.........................................................................................3

2.2

3

Eigenleitung......................................................................................................5

2.1.2

Störstellenleitung..............................................................................................6

Der pn-Übergang...........................................................................................................7 2.2.1

Der pn-Übergang mit äußerer Spannung..........................................................9

2.2.2

Der pn-Übergang im Durchlassbetrieb.............................................................9

2.2.3

Der pn-Übergang in Sperrrichtung beansprucht.............................................11

2.2.4

Die Durchbruchmechanismen des pn-Überganges.........................................12

2.2.5

Die optimale Gestaltung des pn-Übergangs...................................................13

Dioden..................................................................................................................................15 3.1 pn-Diode......................................................................................................................15

3.2

3.3 4

2.1.1

3.1.1

Modellbildung einer realen pn-Diode.............................................................16

3.1.2

Die Verlustleistungsberechnung.....................................................................17

pin-Diode....................................................................................................................18 3.2.1

Das Sperrverhalten.........................................................................................19

3.2.2

Das Durchlassverhalten..................................................................................19

3.2.3

Das Schaltverhalten........................................................................................21 3.2.3.1

Einschalten.....................................................................................22

3.2.3.2

Ausschalten....................................................................................22

3.2.3.3

Schaltverluste.................................................................................24

3.2.4

Reihenschaltung..............................................................................................26

3.2.5

Parallelschaltung.............................................................................................27

3.2.6

Einsatzkriterien für Dioden.............................................................................29

Solarzelle.....................................................................................................................30

Transistoren........................................................................................................................33 4.1 Bipolartransistor..........................................................................................................33 4.1.1

Der bipolare Leistungstransistor.....................................................................36

4.1.2

Die Arbeitspunkte des bipolaren Transistorschalters.....................................37

4.1.3

Nichtsättigungsbetrieb (aktiver Bereich, uBC < 0).........................................37

VIII

4.2

Inhaltsverzeichnis 4.1.4

Quasisättigungsbetrieb (uBC > 0)...................................................................38

4.1.5

Übersättigungsbetrieb.....................................................................................38

4.1.6

Darlington-Transistoren..................................................................................40

4.1.7

Vergleich Bipolartransistor - Schalter ...........................................................41

Betriebsarten ..............................................................................................................42 4.2.1

Schalten einer ohmsch-induktiven Last..........................................................43

4.2.2

Schalten eines eingeprägten Stromes..............................................................46

4.2.3 4.3

4.4

4.5

Weiches Schalten...........................................................................46

4.2.2.2

Hartes Schalten..............................................................................47

RCD-Beschaltung...........................................................................................48

Der IG-Feldeffekttransistor (MOSFET).....................................................................49 4.3.1

Aufbau............................................................................................................49

4.3.2

Die Kennlinie..................................................................................................53

4.3.3

Die Gatekapazität...........................................................................................54

4.3.4

Neuere Entwicklungsrichtungen.....................................................................55

Der IG-Bipolar Transistor (IGBT)..............................................................................56 4.4.1

Aufbau............................................................................................................56

4.4.2

Durchlasseigenschaften..................................................................................57

4.4.3

Das Schaltverhalten........................................................................................58 4.4.3.1

Einschalten.....................................................................................58

4.4.3.2

Ausschalten....................................................................................60

4.4.3.3

Lastwechselfestigkeit ....................................................................62

4.4.4

Sperr- und Blockierverhalten..........................................................................63

4.4.5

Neuere Entwicklungsrichtungen.....................................................................64

Treiberschaltungen .....................................................................................................65 4.5.1

5

4.2.2.1

Ausführung einer Ansteuerung für einen IGBT .............................................68

4.5.2

Gateanschluss.................................................................................................69

4.5.3

Ansteuerung eines Halbbrückenmoduls..........................................................70 4.5.3.1

Impulslogik....................................................................................71

4.5.3.2

Ventilbelastung..............................................................................72

Thyristoren.........................................................................................................................73 5.1 Aufbau und Wirkungsweise........................................................................................73 5.2

Kennlinie.....................................................................................................................75

5.3

Das Einschaltverhalten................................................................................................75 5.3.1

Überschreiten der zulässigen Blockierspannung............................................75

5.3.2

Überschreiten der zulässigen Spannungssteilheit ..........................................76

Inhaltsverzeichnis 5.3.3 5.4

5.5

5.6

5.7 6

Gatestromzündung..........................................................................................76

Ausschalten.................................................................................................................79 5.4.1

Netzgeführter Betrieb.....................................................................................79

5.4.2

Selbstgeführter Betrieb...................................................................................80

Ausführungsformen.....................................................................................................81 5.5.1

Amplifying Gate Struktur...............................................................................82

5.5.2

Zweirichtungs-Thyristoren.............................................................................82

5.5.3

Der asymmetrisch sperrende Thyristor...........................................................82

5.5.4

Der lichtzündbare Thyristor............................................................................83

Abschaltbarer Thyristor (GTO)..................................................................................83 5.6.1

Der asymmetrische sperrende GTO................................................................83

5.6.2

Ansteuerung....................................................................................................84 5.6.2.1

Einschalten.....................................................................................84

5.6.2.2

Ausschalten....................................................................................84

5.6.3

Betriebsbedingungen für einen GTO..............................................................85

5.6.4

Der IGCT........................................................................................................86

Auswahl von Leistungsbauelementen.........................................................................86

Wärme-Management.........................................................................................................87 6.1 Die Verlustleistung......................................................................................................87 6.2

6.3

7

IX

Das thermische Ersatzschaltbild..................................................................................89 6.2.1

Der innere Wärmewiderstand Rth,JC...............................................................90

6.2.2

Der äußere Wärmewiderstand Rth,CA.............................................................90

6.2.3

Die Wärmekapazität Cth.................................................................................91

6.2.4

Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers.........................................................92

Kühlmedien.................................................................................................................94 6.3.1

Luftkühlung....................................................................................................94

6.3.2

Wasserkühlung...............................................................................................95

6.3.3

Siedekühlung..................................................................................................95

Stromrichterschaltungen...................................................................................................97 7.1 Grundfunktionen.........................................................................................................97 7.2

Kennzeichnung von Stromrichterschaltungen.............................................................97

7.3

Einteilung nach der inneren Wirkungsweise...............................................................98

7.4

Leistungssteuerverfahren.............................................................................................99

7.5

Mittelpunktschaltung M1............................................................................................99 7.5.1

Transformator-Bauleistung...........................................................................103

X

Inhaltsverzeichnis

7.6

8

7.5.2

Kapazitive Last.............................................................................................104

7.5.3

Ohmsch-induktive Last.................................................................................106

7.5.4

Ohmsch-induktive Last mit Freilaufdiode....................................................107

Wechselwegschaltung W1........................................................................................108 7.6.1

Stellerbetrieb mit ohmscher Last..................................................................109

7.6.2

Stellerbetrieb mit ohmsch-induktiver Last ...................................................111

7.6.3

Schaltbetrieb mit ohmsch-induktiver Last....................................................112

Wechselstromschaltungen...............................................................................................113 8.1 Die Mittelpunktschaltung M2U................................................................................113 8.1.1 8.2

Die gesteuerte Mittelpunktschaltung M2C................................................................114 8.2.1 8.2.2

8.3

9

Gleichspannungsbildung...............................................................................113 Die Wirkungsweise des Steuergenerators.....................................................114 Passive Last..................................................................................................115 8.2.2.1

Ohmsche Last..............................................................................115

8.2.2.2

Ohmsch- induktive Last ..............................................................116

8.2.3

Aktive Last....................................................................................................118

8.2.4

Ventilbelastung ............................................................................................121

8.2.5

Trafo- und Netzgrößen.................................................................................122

8.2.6

Bemessung einer Glättungsinduktivität........................................................123

8.2.7

Die Kommutierung.......................................................................................125 8.2.7.1

Überlappung u.............................................................................126

8.2.7.2

Die induktive Gleichspannungsänderung....................................128

Die Brückenschaltung B2..........................................................................................131 8.3.1

Ventilbelastung.............................................................................................132

8.3.2

Transformatorbauleistung.............................................................................132

Drehstromschaltungen.....................................................................................................133 9.1 Die Mittelpunktschaltung M3...................................................................................133 9.1.1

9.1.2

Gleichspannungsbildung...............................................................................134 9.1.1.1

Ohmsche Last .............................................................................135

9.1.1.2

Aktive Last...................................................................................137

Ventilbelastung.............................................................................................138 9.1.2.1

Spannung.....................................................................................138

9.1.2.2

Strom...........................................................................................140

9.1.3

Netzstrom......................................................................................................141

9.1.4

Die Kommutierung ......................................................................................142

Inhaltsverzeichnis

9.2

9.3

9.4

9.5

XI

9.1.4.1

Einfluss auf die Gleichspannung.................................................143

9.1.4.2

Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls...................145

9.1.4.3

Kommutierungseinfluss auf die Ventilspannung.........................147

Die Brückenschaltung B6.........................................................................................148 9.2.1

Gleichspannungsbildung...............................................................................148

9.2.2

Leitzustände der Ventile...............................................................................149

9.2.3

Stromrichtereingangsstrom...........................................................................151

9.2.4

Netzstrom......................................................................................................151

Zündimpulse..............................................................................................................152 9.3.1

Gleichspannungsbildung...............................................................................154

9.3.2

Einfluss der Kommutierungen......................................................................156

12-pulsige Schaltungen ............................................................................................160 9.4.1

Stromrichter-Reihenschaltung......................................................................161

9.4.2

Stromrichter-Parallelschaltung.....................................................................162

Höherpulsige Schaltungen.........................................................................................164

10 Netzrückwirkungen..........................................................................................................165 10.1 Blindleistungsverhalten.............................................................................................165 10.1.1 Die Kennlinie der Steuerblindleistung..........................................................166 10.1.2 Oberschwingungsblindleistung.....................................................................167 10.2 Stromoberschwingungen...........................................................................................168 10.2.1 Stromglättung...............................................................................................168 10.2.2 Spannungsglättung........................................................................................171 10.2.2.1 Passive PFC-Schaltung................................................................172 10.2.2.2 Aktive PFC-Schaltung.................................................................173 10.3 Spannungsoberschwingungen...................................................................................175 10.3.1 B2-Schaltung................................................................................................175 10.3.2 B6-Schaltung ...............................................................................................177 11 Lastgeführte Stromrichter..............................................................................................183 11.1 Schwingkreiswechselrichter......................................................................................183 11.1.1 Betrieb mit eingeprägter Gleichspannung ...................................................183 11.1.2 Betrieb mit eingeprägtem Gleichstrom ........................................................186 11.1.3 Vergleich der Wechselrichtertypen..............................................................188 11.1.4 Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Ventilen..............................188 11.1.5 Strom- und spannungsloses Schalten............................................................190 11.1.6 Anwendungsbeispiel zum stromlosen Schalten (ZCS).................................191

XII

Inhaltsverzeichnis

12 Selbstgeführte Stromrichter............................................................................................193 12.1 Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR)...................................................193 12.1.1 Mittelpunktschaltung mit AC-seitigem Mittelpunkt ....................................194 12.1.2 Ausführungsbeispiel mit Thyristorschalter...................................................195 12.1.3 3-phasige Brückenschaltungen.....................................................................198 12.1.3.1 Betrieb mit passiver Last ...........................................................200 12.1.3.2 Betrieb mit einer Drehfeldmaschine............................................200 12.1.3.3 Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung....................................202 12.2 Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (IWR).......................................................204 12.2.1 Prinzip...........................................................................................................204 12.2.2 Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung.....................................................207 13 Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR.....................................................................211 13.1 Schaltungen in Zweipunkttechnik (2-level-inverter).................................................212 13.1.1 Schaltfunktionen...........................................................................................213 13.1.2 Kurzzeit-Mittelwert......................................................................................214 13.1.3 Der Modulator..............................................................................................216 13.1.4 Modulationsfunktion ....................................................................................216 13.1.5 Aussteuerung................................................................................................217 13.1.6 1-phasige Brücke .........................................................................................218 13.1.6.1 Grundfrequenztaktung.................................................................219 13.1.6.2 Schwenksteuerung.......................................................................220 13.1.6.3 Pulsbreitenmodulation.................................................................221 13.1.7 3-phasige Brücke..........................................................................................222 13.1.7.1 Die Spannungsbildung.................................................................223 13.1.7.2 Der Zwischenkreisstrom .............................................................226 13.2 Schaltungen in Dreipunkttechnik (3-level-inverter)..................................................230 13.2.1 Einphasige Brückenschaltung.......................................................................233 13.2.2 3-phasige Brückenschaltung.........................................................................234 13.3 Multi-level-Schaltungen............................................................................................237 14 Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung................................................................239 14.1 Raumzeigertransformation........................................................................................239 14.2 Stromrichterspeisung.................................................................................................241 15 Steuerverfahren für UWR...............................................................................................243 15.1 Begriffe.....................................................................................................................243 15.2 Die Grundfrequenzsteuerung....................................................................................246

Inhaltsverzeichnis

XIII

15.3 Die Pulsbreitenmodulation (PWM)...........................................................................247 15.3.1 Digitale Schaltungen.....................................................................................250 15.3.2 Schaltfunktionen für 3-phasige Schaltungen................................................251 15.3.3 Steuerkennlinie.............................................................................................254 15.3.4 Off-line optimierte Schaltfunktionen............................................................256 15.3.5 Eliminationsmethode ...................................................................................256 15.3.6 Optimierte Pulsmuster..................................................................................258 15.3.7 Raumzeigermodulation.................................................................................258 16 Stromrichter und Maschinen..........................................................................................261 16.1 Gleichstrommaschinen..............................................................................................261 16.2 Elektronikmotor........................................................................................................264 16.3 Stromrichtermotor.....................................................................................................265 16.4 Drehfeldmaschinen....................................................................................................267 16.5 Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung..............................................................271 16.6 Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz.................................................272 16.6.1 Drehstromsteller W3.....................................................................................273 16.6.2 Pulsgesteuerter Läuferwiderstand.................................................................274 16.6.3 Stromrichterkaskade.....................................................................................275 16.6.3.1 Ausführung mit Stromzwischenkreis...........................................276 16.6.3.2 Spannungszwischenkreis.............................................................277 16.7 Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz....................................................279 16.7.1 Prinzip des Direktumrichters........................................................................279 16.7.2 3-phasiger Direktumrichter...........................................................................282 16.7.3 Frequenzumrichter........................................................................................282 16.7.3.1 U/f-Kennliniensteuerung..............................................................285 16.7.3.2 Feldorientierte Regelung.............................................................286 16.7.4 Abschätzung der Zwischenkreisgrößen........................................................288 17 Leistungselektronik und EMV........................................................................................289 17.1 Grundbegriffe............................................................................................................289 17.1.1 Störgrößen in der Leistungselektronik..........................................................290 17.1.2 Störfestigkeit.................................................................................................292 17.1.3 Störvermögen................................................................................................292 17.1.4 Leitungsgebundene Störungen......................................................................292 17.1.5 Nicht leitungsgebundene Störungen.............................................................292 17.1.5.1 Kapazitive Beeinflussungen........................................................292 17.1.5.2 Induktive Beeinflussungen...........................................................293

XIV

Inhaltsverzeichnis 17.1.5.3 Elektromagnetische Beeinflussungen..........................................293 17.1.6 Psophometrischer Störstrom.........................................................................294

17.2 Netzfilter...................................................................................................................294 17.3 Motoranpassung an den Stromrichter.......................................................................298 17.3.1 Lagerströme..................................................................................................298 17.3.2 Wanderwellenprobleme................................................................................298 17.3.3 Ausgangsfilter...............................................................................................301 17.4 Weitere Maßnahmen.................................................................................................302 18 Gleichspannungswandler.................................................................................................305 18.1 Tiefsetzsteller............................................................................................................305 18.2 Ausführungsbeispiel zum Tiefsetzsteller..................................................................305 18.3 Gleichstromsteller.....................................................................................................306 18.4 Gleichstromsteller mit aktiver Last...........................................................................309 18.5 Hochsetzsteller..........................................................................................................311 18.6 Hoch-Tiefsetzsteller..................................................................................................312 18.7 Sperrwandler.............................................................................................................314 18.8 Durchflusswandler.....................................................................................................315 18.9 Schaltnetzteile...........................................................................................................316 18.9.1 Sekundär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler)..........................................317 18.9.2 Primär getaktetes Netzteil (AC-DC-Wandler)..............................................317 18.9.3 Elektronischer Transformator (AC-AC-Wandler)........................................318 18.9.4 Energiesparlampe.........................................................................................318 19 Stromversorgungen..........................................................................................................319 19.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen..................................................................319 19.1.1 Online-Systeme.............................................................................................320 19.1.2 Offline-Systeme............................................................................................320 19.2 Photovoltaische Stromversorgungen.........................................................................321 19.3 Brennstoffzellen-Stromversorgungen........................................................................321 19.4 Energiespeicher.........................................................................................................323 Formelzeichen..........................................................................................................................327 Weiterführende Literatur......................................................................................................329 Sachwortverzeichnis...............................................................................................................330

1

1

Was ist Leistungselektronik ?

Energieversorgungsnetze stellen ein- bzw. mehrphasige sinusförmige Spannungen fester Frequenz zur Verfügung. Zahlreiche Verbraucher benötigen elektrische Energie in anderer Form, zum Beispiel als Gleichspannung für den Betrieb von elektronischen Geräten oder als Wechselspannung mit veränderbarer Amplitude und Frequenz für den Betrieb von drehzahlvariablen Antrieben z. B. in Werkzeugmaschinen, Positionier- oder Lokomotivantrieben. Der Energiefluss kann sich auch umkehren, so dass im Bremsbetrieb Energie zurückgewonnen werden kann. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad an und der Verschleiß mechanischer Bremsen wird verringert. Bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes können die Verbraucher mit Hilfe leistungselektronischer Einrichtungen aus einer Batterie versorgt werden. Die Leistungselektronik formt die bereitgestellte elektrische Energie in die vom Verbraucher benötigte Form um. Diese Umwandlung erfolgt verlustarm durch den Einsatz elektronischer Schalter. Durch den Schalterbetrieb unterscheidet sich die Leistungselektronik von der Analogelektronik, bei der eine Spannungsumformung durch lineare Stellglieder (Transistor) ähnlich wie bei einem Spannungsteiler erfolgt und daher mit hohen Verlusten verbunden ist. Leistungselektronik ist nach Abb. 1-1 das Bindeglied zwischen dem Energieerzeuger und dem Energieverbraucher. In das Fachgebiet der Leistungselektronik eingeschlossen sind die erforderlichen Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen.

Energieerzeuger

μP-basierte Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Leistungselektronik

Feldbus

Energieverbraucher Abbildung 1-1 Übersicht

Der größte Nutzen der Leistungselektronik besteht derzeit in einem verminderten Energieverbrauch bei leistungselektronischen Systemen. Dazu tragen erheblich reduzierte Verluste in den Bauelementen selbst sowie optimierte Steuer- und Regelungsverfahren mit immer kürzeren Regelzeiten bei. Darüber hinaus führt der zunehmende Einsatz der Leistungselektronik zu einer erhöhten Zuverlässigkeit elektrischer Systeme und zu Geräusch- und Gewichtsreduktionen. Leistungselektronik ist daher eine Schlüsseltechnologie mechatronischer Systeme. Da elektrische Energie in unterschiedlichen Formen eingesetzt wird, wie z. B. als Gleich-, Wechsel- oder Drehstromenergie, so sind bei der Energieumformung verschiedene Funktionen erforderlich, die in Abb. 1-2 dargestellt sind. Die Leistungselektronik kann auf eine jahrzehntelange Entwicklung zurückblicken. Nach der Entdeckung der Ventilwirkung eines Lichtbogens wurde 1902 der Quecksilberdampf-Gleich-