Grundkurs Leistungselektronik

Frontmatter

1. Was ist Leistungselektronik ?

Zusammenfassung

Leistungselektronische Systeme arbeiten mit elektronischen Schaltern. Sie ermöglichen einen bidirektionalen Energieaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen durch eine Umwandlung von Spannung, Strom oder Frequenz. Somit kann sich der Energiefluss auch umkehren, so dass im generatorischen Betrieb des Verbrauchers Energie zurückgewonnen werden kann. Bei batteriebetriebenen Fahrzeugen steigt die Reichweite an und der Verschleiß mechanischer Bremsen wird ggf. verringert. Bei Ausfall eines Energieversorgungsnetzes können die Verbraucher mit Hilfe leistungselektronischer Einrichtungen aus einer Batterie versorgt werden. Zudem kann elektrische Energie mit Hilfe einer hoher Gleichspannungen über große Entfernungen wirtschaftlich transportiert werden.

Joachim Specovius

2. Grundlagen

Zusammenfassung

Als Halbleiter werden Elemente bzw. Verbindungen bezeichnet, deren spezifischer Widerstand bei Normaltemperatur zwischen den Werten von Metallen und Isolatoren liegt. Typische Halbleitermaterialien sind Germanium und Silizium. Im Unterschied zu den Metallen weist der elektrische Widerstand von Halbleitern einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, d. h. der Widerstand sinkt, wenn die Temperatur steigt. Ein reiner Halbleiter ist beim absoluten Nullpunkt ein Isolator. Die Leitfähigkeit bei Normaltemperatur wird durch Dotierung eingestellt. Das Verhalten von Halbleitern unterschiedlicher Dotierung wird mit dem Ziel beschrieben, das Verständnis für den Leitungsmechanismus von Halbleiter-Bauelementen zu fördern und deren Kennlinien und Einsatzbedingungen zu verstehen.

Joachim Specovius

3. Dioden

Zusammenfassung

Die Verbindung von zwei Halbleitern unterschiedlicher Dotierung hat einen pn-Übergang zur Folge und wird als Diode bezeichnet. Eine Diode ist ein nichtlineares Bauelement. Wird an eine Diode eine Wechselspannung angelegt, so fließt ein Strom im Wesentlichen nur in Durchlassrichtung. Auf Grund der Dotierung ist der Strom in Sperrrichtung bis zu 107 mal kleiner als der Durchlassstrom. Er verschwindet wegen der Minoritätsladungen in den feldfreien Bahngebieten der Diode nicht völlig, erreicht aber bei Sperrspannungen ab ca. 100 mV den Wert des Sperrsättigungsstromes und bleibt konstant. In der Raumladungszone entstehen temperaturabhängig ständig neue Ladungsträger. Unter dem Einfluss der Feldstärke fließt daher zusätzlich ein temperaturabhängiger Sperrstrom. Dieser verdoppelt sich bei Silizium etwa alle 6 K. Die Anzahl dieser Ladungsträger ist auch von der Breite der Raumladungszone – und damit von der Höhe der Sperrspannung – abhängig. Das elektrische Verhalten einer idealen Diode wird mit dem Verhalten einer realen Diode für eine konstante Sperrschichttemperatur verglichen.

Joachim Specovius

4. Transistoren

Zusammenfassung

Zu Beginn der Entwicklung abschaltbarer Halbleiter-Bauelemente wurde der Bipolar-Transistor für den unteren und mittleren Leistungsbereich eingesetzt. Heute sind Bipolartransistoren in vielen Anwendungen durch MOSFETs und IGBTs ersetzt. Trotzdem bildet die bipolare Transistorstruktur weiterhin den Kern vieler modernen Bauelemente, so dass ihre Kenntnis für das Verständnis der Wirkungsweise moderner Leistungsbauelemente wie z. B. GTO-Thyristoren oder IGBTs nach wie vor von großer Wichtigkeit ist. Im folgenden Kapitel wird daher zunächst der Bipolartransistor für kleine Leistungen (Signaltransistor) vorgestellt. Dabei geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und Transistor-Kennwerte speziell für den Schalterbetrieb. Aufbauend auf der bipolaren Transistorstruktur wird der Leistungs-Bipolartransistor und der Thyristor vorgestellt. Nach Einführung des unipolaren MOSFET-Leistungstransistors folgt schließlich der IGBT, das heutige „Arbeitspferd“ der Leistungselektronik. Im IGBT sind die Vorzüge bipolarer Transistoren (Leistung) mit denen des MOSFET (Ansteuerung) vereint. Mit dem IGBT lassen sich derzeit Spannungen bis über 6 kV bzw. Ströme über 3 kA mit einem vergleichsweise geringen Steueraufwand beherrschen.

Joachim Specovius

5. Thyristoren

Zusammenfassung

Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente mit dem Haupteinsatzgebiet für Netzanwendungen. Für Neuanwendungen geht die Bedeutung dieser Bauteile durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Transistoren zurück. Auch in seinem klassischen Einsatzgebiet, der Gleichstromantriebstechnik verzeichnet der Thyristor einen stetigen Bedarfsrückgang. Für die klassischen Einsatzgebiete mit Anschlussspannungen bis 660 V und den Sperrspannungsbereichen bis 1800 V werden deshalb keine Entwicklungen mehr betrieben. Im Gegensatz dazu wird die Entwicklung im Höchstleistungsbereich weiter vorangetrieben. Neben lichtzündbaren Thyristoren mit integrierter BOD-Notzündung sind Höchstleistungsthyristoren mit Sperrspannungen bis 10 kV verfügbar. Typische Anwendungen hierfür sind derzeit (noch) HGÜ-Anlagen, Netzkupplungen, Ersatz für mechanische Mittelspannungsschalter und Sanftanlaufschaltungen für Drehstrommotoren sowie Stromrichtermotoren für höchste Leistungen.

Joachim Specovius

6. Wärme-Management

Zusammenfassung

Im stationären Betrieb haben alle am Wärmetransport beteiligten Komponenten eine unterschiedliche Temperatur. Die höchste Temperatur stellt sich im Siliziumkristall (Sperrschicht) ein, dem Ort der Verlustleistungsentstehung. Die Wärme wird schließlich mit Hilfe des Kühlkörpers an das Kühlmedium abgegeben. Zur Bemessung des Kühlkörpers ist es erforderlich, den Wärmetransport von der Sperrschicht bis zum Kühlmedium zu beschreiben. Ein anschauliches Hilfsmittel zur Beschreibung dieses Wärmetransportes für den stationären und dynamischen Betrieb ist ein Ersatzschaltbild bei dem der Wärmetransport mit Hilfe analoger elektrischer Größen beschrieben wird. Die Umgebungstemperatur wird als Bezugsgröße gewählt und im Ersatzschaltbild durch ein Masse Zeichen symbolisiert.

Joachim Specovius

7. Stromrichterschaltungen

Zusammenfassung

Stromrichter sind Einrichtungen zum Umformen elektrischer Energie unter Verwendung von Leistungshalbleitern. Bei der energetischen Kupplung elektrischer Systeme ergeben sich vier Grundfunktionen wie die Umformung von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie, von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie bzw. die Umformung von Gleichstromenergie mit gegebener Spannung und Polarität in Gleichstromenergie mit anderer Spannung und Polarität oder die Umformung von Wechselstromenergie mit gegebener Spannung, Frequenz und Phasenzahl in Wechselstromenergie mit anderer Spannung, Frequenz und Phasenzahl. Für diese Grundfunktionen stehen jeweils an die Anschlussbedingungen zugeschnittene Stromrichterschaltungen zur Verfügung.

Joachim Specovius

8. Wechselstromschaltungen

Zusammenfassung

Eine einfache Ausführung eines netzgeführten Stromrichters stellt die ungesteuerte Zweipuls-Mittelpunktschaltung dar. Durch die aufgeteilten Sekundär-Wicklungen des Trans¬formators stehen zwei um 180° phasenverschobene potenzialfreie Spannungen zur Verfügung. Die Ventile, zunächst als Dioden angenommen, wechseln sich daher in der Stromführung im Spannungsnulldurchgang der Sekundärspannungen ab. Bei idealen Ventilen liegt am Lastwiderstand der Betrag der sinusförmigen Netzspannung an. Außerdem ist der Effektivwert des Netzstromes gleich dem des Gleichstromes. Die Gleichspannung ist eine Mischgröße. Der störende Wechselanteil kann durch eine passende Filterung vermindert werden.

Joachim Specovius

9. Drehstromschaltungen

Zusammenfassung

Drehstrom-Gleichrichterschaltungen bestehen aus mindestens drei Ventilen. Bei drei Ventilen ist ein Sternpunkt der Versorgungsspannung erforderlich (Mittelpunktschaltung). Die Ventile sind abwechselnd für jeweils 120° leitend. Die nicht leitenden Ventile sind mit einer verketteten Spannung belastet. Für eine Brückenschaltung werden sechs Ventile benötigt, ein Sternpunktanschluss ist dann nicht mehr erforderlich. Die natürliche Ablösung der Ventile erfolgt unter dem Einfluss der Phasenspannungen unmittelbar im Spannungsschnittpunkt. Dieser Punkt liegt im Nulldurchgang der verketteten Spannungen, die als Kommutierungsspannungen bezeichnet werden. Bei natürlicher Kommutierung ist somit immer das Ventil mit der momentan höchsten Spannung leitend. Bei einer gesteuerten Schaltung wird die Stromübergabe auf das nächste Ventil bei positiver Kommutierungsspannung erst durch einen Zündimpuls ausgelöst. Dadurch kann die Gleichspannung eingestellt werden. Die Impedanz des Eingangstransformator beeinflusst die Ventilablösung und führt zu einer Lastabhängigkeit der Gleichspannung.

Joachim Specovius

10. Netzrückwirkungen

Zusammenfassung

Die Beschreibung der Netzrückwirkungen erfolgt ausgehend von einer gesteuerten Mittelpunktschaltung (M2-Schaltung). Der Netzstrom eilt zur Netzspannung um den Phasenverschiebungswinkel nach. Das bedeutet, dass der Stromrichter über die Stromgrundschwingung eine induktive Blindleistung bezieht. Neben der Stromgrundschwingung enthält der Netzstrom abhängig von der Kurvenform zusätzliche Oberschwingungen. Zusammen mit der Netzspannung entsteht eine Oberschwingungsblindleistung, die als Verzerrungsleistung bezeichnet wird. Der Phasenwinkel der Grundschwingung, und der Steuerwinkel sind hierbei identisch, weshalb die Grundschwingungsblindleistung auch als Steuerblindleistung bezeichnet wird. Dieser Zusammenhang gilt auch bei höherpulsigen Schaltungen. Die Netzspannung wird als rein sinusförmig angenommen.

Joachim Specovius

11. Lastgeführte Stromrichter

Zusammenfassung

Bei lastgeführten Stromrichtern erfolgt die Ablösung der Ventile (Thyristoren) durch die Lastspannung bzw. den Laststrom. Die Ventilsteuerung erfolgt somit in Bezug auf die Spannungs- bzw. Stromnulldurchgänge der Last. Wir unterscheiden ein- und mehrphasige Schaltungen. Die Last kann passiv als Schwingkreis (Schwingkreiswechselrichter) oder aktiv z. B. als Synchronmaschine (Stromrichtermotor) ausgeführt sein. Schwingkreiswechselrichter werden z. B. für ohmsch-induktive Verbraucher (z. B. Induktionskochfeld) eingesetzt, die mit einer höherfrequenten Wechselspannung arbeiten. Der ohmsch-induktive Verbraucher wird mit einem Kompensationskondensator zu einem Reihen- oder Parallelschwingkreis zusammengeschaltet. Durch den Einsatz abschaltbarer Ventile lassen sich mit dem Schwingkreis die Schaltverluste minimieren da eine Rücksicht auf die Freiwerdezeit bei Transistoren nicht erforderlich ist.

Joachim Specovius

12. Selbstgeführte Stromrichter

Zusammenfassung

Unter selbstgeführten Stromrichtern versteht man Stromrichter zur Umformung von Gleich- und Wechselströmen unter Verwendung abschaltbarer Bauelemente. Die Ventile können daher ohne führendes Netz kommutieren. Selbstgeführte Stromrichter arbeiten als Wechselrichter mit konstanter (d. h. eingeprägter) Spannung (UWR) oder mit konstantem (d. h. eingeprägtem) Strom (IWR). Es wird zunächst 1-phasige Wechselrichterschaltung betrachtet. 1-phasige Wechselspannungen werden durch Mittelpunktschaltungen oder durch eine Brückenschaltung erzeugt. Der Vorteil von Mittelpunktschaltungen liegt im Vergleich zur Brückenschaltung in der geringeren Anzahl an Halbleiterventilen, wodurch speziell bei kleinen Leistungen sich ein günstiger Wirkungsgrad ergibt. Als Beispiel für eine Brückenschaltung wird eine 3-phasige Wechselrichterschaltung vorgestellt.

Joachim Specovius

13. Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR

Zusammenfassung

Wegen der Bedeutung 1- und 3-phasiger Wechselrichter mit eingeprägter Spannung wird im in diesem Kapitel die Wirkungsweise des UWR vertiefend behandelt. Dabei werden Wechselrichter in Zwei- und Dreipunkttechnik sowie Multi-level-Wechselrichter betrachtet. Während die Ausgangsspannung des Brückenzweiges eines Zweipunkt-Wechselrichters nur 2 Werte annimmt kann ein Dreipunkt-Wechselrichter zusätzlich die Ausgangsspannung auf Nullpotenzial legen. Der Multi-level-Wechselrichter erlaubt prinzipiell beliebig viele Spannungsstufen. Einen vorgegebenen zeitveränderlichen Sollwert kann beim Multi-level-Wechselrichter beliebig genau abgebildet werden, beim Zwei- und Dreipunkt Wechselrichter nur über den Mittelwert der Ausgangsspannung als gleitender Mittelwert. Wegen der geschalteten Charakteristik erfolgt die Mittelwertbildung jeweils über eine Taktperiode (Kurzzeit-Mittelwert).

Joachim Specovius

14. Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung

Zusammenfassung

Die „Raumzeigerdarstellung“ wurde anfangs nur zur Beschreibung des magnetischen Feldes von Drehfeldmaschinen entwickelt. Sie wird wegen der erheblichen Vereinfachung und Anschaulichkeit heute auch für die Beschreibung von Strömen und Spannungen in Mehrphasensystemen eingesetzt. Bei Stromrichterspeisung ist die Leiterspannung durch Schaltvorgänge bestimmt, d. h. sie kann nur bestimmte (diskrete) Werte annehmen. Die Raumzeigerdarstellung der Spannungen wird daher für jeden Schaltzustand des Wechselrichters jeweils einen Punkt in der αβ-Ebene abbilden. So hat ein Zweipunkt-Wechselrichter 8 Schaltzustände, so dass max. 8 Punkte dargestellt werden können. Im Falle des Zweipunkt-Wechselrichters liegen im Nullpunkt die Punkte 7 und 8 übereinander, d. h. sie sind redundant. Es sind also nur 7 Punkte sichtbar. Der Dreipunkt-Wechselrichter zeigt bei 27 Schaltzuständen 19 verschiedene Punkte (Spannungsraumzeiger), d. h. auch hier treten redundante Spannungsraumzeiger auf.

Joachim Specovius

15. Steuerverfahren für UWR

Zusammenfassung

Die Aufgabe eines Wechselrichters mit eingeprägter Spannung besteht im Allgemeinen darin, ein im gleitenden Mittelwert sinusförmiges Drehspannungssystem variabler Grundschwingungsfrequenz zu erzeugen. Dabei wird eine Gleichspannung durch Halbleiterschalter in gepulster Form an die Last weitergegeben. Die Qualität dieser gepulsten Spannung, z. B. durch den Klirrfaktor beschrieben, ist zunächst unabhängig von der Schaltfrequenz oder der Pulsweitenmodulation konstant. Erst durch Filterung dieser gepulsten Spannung z. B. durch ein Filter oder die Impedanz einer angeschlossenen Asynchronmaschine und den daraus resultierenden Stromverlauf ist der Vorteil einer Pulsung ersichtlich. Je höher die Pulsfrequenz wird, desto geringer werden die Oberschwingungen im Strom – und somit auch die Zusatzverluste und Drehmoment-Oberschwingungen (Pendelmomente) einer Asynchronmaschine. Mit einer erhöhten Schaltfrequenz bzw. angepassten Pulsweitenmodulation können externe Filterelemente reduziert werden.

Joachim Specovius

16. Stromrichter und Maschinen

Zusammenfassung

Halbleiterventile werden zur Steuerung elektrischer Maschinen eingesetzt. Zu jedem Maschinentyp gehört eine Gruppe von passenden Stromrichterschaltungen. Hierbei werden mechanisch bzw. elektronisch kommutierende Gleichstrommaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen sowie strom- und spannungsgespeiste Drehfeldmaschinen betrachtet. Bei den Drehfeldmaschinen unterscheidet man je nach Rotorausführung zwischen dem Typ der Asynchronmaschine und dem der Synchronmaschine. Schwerpunkt der folgenden Betrachtungen sei die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Es sollen an dieser Stelle auch nur die Eigenschaften der Maschinen betrachtet werden, die im Hinblick auf das Zusammenwirken von Stromrichter und Maschine sinnvoll sind. Deshalb wird im Folgenden nur eine Modellierung der Drehfeldmaschine als Standardlast für einen Stromrichter gewählt.

Joachim Specovius

17. Leistungselektronik und EMV

Zusammenfassung

Wie alle Betriebsmittel, so haben sich auch leistungselektronische Einrichtungen wie z. B. Frequenzumrichter in einer elektromagnetischen Umwelt zu bewähren. Er muss äußeren elektromagnetischen Einflüssen widerstehen und produziert selbst wiederum elektromagnetische Störungen. Das Verhalten von Betriebsmitteln hinsichtlich dieser Kriterien bezeichnet man als elektromagnetische Verträglichkeit. Mögliche Beeinflussungswege, auf denen Störgrößen zu den Störsenken gelangen können werden am Beispiel eines IGBT-Transistorschalters untersucht. Der Beeinflussungsweg läuft über eine oder mehrere Kopplungen zwischen Störquelle und Störsenke, wobei unter Kopplung die Wechselbeziehung zwischen Stromkreisen zu verstehen ist, bei der Energie von einem Stromkreis auf einen anderen Stromkreis übertragen werden kann. Das Störvermögen charakterisiert die vom Frequenzumrichter ausgehenden elektromagnetischen Störungen. Die Störungen werden im Wesentlichen durch schnelle Schalt- bzw. Kommutierungsvorgänge im Leistungsteil des Umrichters verursacht.

Joachim Specovius

18. Gleichspannungswandler

Zusammenfassung

Zur Anpassung einer Spannungsquelle an einen Verbraucher mit geringerer Spannung kann man einen einfachen Spannungsteiler verwenden. Wegen des ungünstigen Wirkungsgrades ist diese Maßnahme jedoch auf kleine Leistungen beschränkt. Legt man Wert auf einen hohen Wirkungsgrad, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten der Fall ist, oder benötigt man höhere Leistungen oder höhere Spannungen als die Eingangsspannung, so erfolgt die Spannungswandlung durch periodisch schaltende Wandler in Verbindung mit elektrischen oder magnetischen Speicherelementen. Als Schalter kommen für Leistungen bis ca. 1 kW im Allgemeinen MOSFET-Leistungstransistoren zum Einsatz. MOSFETs ermöglichen hohe Schaltfrequenzen. Die komplette Baueinheit eines schaltenden Spannungswandlers wird als Gleichspannungswandler bezeichnet. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Prinzipien der Wandlerschaltungen vorgestellt.

Joachim Specovius

19. Stromversorgungen

Zusammenfassung

Stromversorgungen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie mit einer definierten Betriebsspannung. Eine spezielle Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer vor Ausfällen oder Störungen geschützten Energieversorgung als Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Dazu gehört die Anbindung unterschiedlichster Energiespeicher an die Energieversorgung. Andere Einsatzgebiete sind die Einspeisung der Gleichstromenergie einer Solaranlage in das öffentliche Drehstromnetz oder eine Blindleistungskompensation zur Verbesserung der Netzqualität. Auch der Betrieb eines Bordnetzes z. B. im Flugzeug oder Kraftfahrzeug oder die Ladeelektronik eines Batteriefahrzeuges gehört dazu. Viele dieser Aufgaben erfordern zusätzlich ein übergeordnetes Power Management System.

Joachim Specovius

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