Grundkurs Leistungselektronik

Elektrische Energie steht im Allgemeinen in Form einer Gleichspannung oder als ein- bzw. mehrphasige Wechselspannung zur Verfügung. Viele Verbraucher benötigen elektrische Energie in angepasster Form, zum Beispiel als Wechselspannung mit veränderbarer Amplitude und Frequenz für den Betrieb von drehzahlvariablen Antrieben z. B. in Werkzeug-, Positionieroder Fahrzeugantrieben oder als geregelte Gleichspannung für den Betrieb von elektronischen Geräten. 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.

Als Halbleiter werden Elemente bzw. Verbindungen bezeichnet, deren spezifischer Widerstand bei Normaltemperatur (25 °C) 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 (0 K) ein Isolator. Das Verhalten von Si- bzw. Ge-Halbleitern wird mit dem Ziel beschrieben, das Verständnis für den Leitungsmechanismus von Halbleiter-Bauelementen zu fördern und deren Kennlinien und Einsatzbedingungen zu verstehen.

Die praktische Ausführung eines pn-Überganges wird als D i o d e 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 i_R (Reverse current) bis zu 10⁷ mal kleiner als der Durchlassstrom i_F (Forward current). 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 I_S (peak reverse current) und bleibt konstant. In der RLZ entstehen wegen der Eigenleitung ständig neue Ladungsträger. Unter dem Einfluss der Feldstärke fließt daher zusätzlich ein temperaturabhängiger Sperrstrom. Dieser verdoppelt sich bei Si etwa alle 6 K. Die Anzahl dieser Ladungsträgern ist auch von der Breite der RLZ – und damit von der Höhe der Sperrspannung – abhängig. Das elektrische Verhalten einer idealen Diode wird zusammen mit dem Verhalten einer realen Diode in Abb. 3-1 für eine konstante Sperrschichttemperatur dargestellt. Für eine mathematische Beschreibung einer Diode mit einem idealen pn-Übergang gilt die Shockleysche Diodengleichung Gl. (3-1).

Zu Beginn der Entwicklung abschaltbarer Halbleiter-Bauelemente wurde der Bipolar-Transistor (BT) für den unteren und mittleren Leistungsbereich eingesetzt. Heute sind BTs aus vielen Anwendungen verschwunden, ihre Funktion wurde vielfach durch MOSFETs und IGBTs ersetzt. Trotzdem bildet die bipolare Transistorstruktur weiterhin den Kern vieler modernen Bauelemente, so das 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 wird daher zunächst der Bipolartransistor für kleine Leistungen vorgestellt, der im weiteren auch als Signaltransistor bezeichnet wird. Hierbei geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und Transistor-Kennwerte speziell für den Schalterbetrieb. Schließlich wird der Leistungs-Bipolartransistor mit seinen typischen Unterschieden zum Signaltransistor behandelt. Aufbauend auf der bipolaren Transistorstruktur wird der Thyristor und der GTO-Thyristor bzw. IGCT vorgestellt. Nach Einführung des 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.

Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente mit dem Haupteinsatzgebiet für Netzanwendungen. Derzeit existieren noch eine Vielzahl von Thyristorvarianten als so genannte schnelle Thyristoren in der Umrichtertechnik mit den Ablegern „asymmetrischer Thyristor (ASCR) und den „Gate-abschaltunterstützten Thyristor“ (GATT). Für Neuanwendungen spielen diese Bauteile keine Rolle mehr. Auch in seinem klassischen Einsatzgebiet der Gleichstromantriebstechnik verzeichnet der Thyristor einen stetigen Bedarfsrückgang. Die Gleichstromantriebstechnik wird zunehmend durch die Drehstromantriebstechnik abgelöst. Dort kommen aber abschaltbare Leistungsbauelemente zum Einsatz. 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 ist die Entwicklung von Höchstleistungsthyristoren mit Sperrspannungen bis 10 kV absehbar. Typische Anwendungen hierfür sind HGÜ-Anlagen, Netzkupplungen, Ersatz für mechanische Mittelspannungsschalter und Sanftanlaufschaltungen für Drehstrommotoren sowie Stromrichtermotoren für höchste Leistungen.

Die Verlustleistung (power dissipation) von Halbleiterbauelementen entsteht im Wesentlichen im Bereich der pn-Übergänge. Dem Bauteil wird daher von der Sperrschicht eine Momentanleistung % MathType!Translator!2!1!LaTeX.tdl!TeX -- LaTeX 2.09 and later! % MathType!MTEF!2!1!+- % feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaqbaeqabeGaaa % qaaiaadchadaWgaaWcbaGaaeODaaqabaGccqGH9aqpcaWG1bGaaiOl % aiaadMgaaeaadaqadaqaaiaaiAdacqGHsislcaaIXaaacaGLOaGaay % zkaaaaaaaa!3FAF! \[ \begin{array}{*{20}c} {p_{\rm{v}} = u.i} & {\left( {6 - 1} \right)} \\ \end{array} \] % MathType!End!2!1! zugeführt. Die im Bauelement umgesetzte Energie, die Wärmemenge Q, berechnet sich durch Integration der Momentanleistung p_V nach Gl. (6-2).

Stromrichter sind Einrichtungen zum Umformen elektrischer Energie unter Verwendung von Leistungshalbleitern. Bei der Kupplung von Wechsel- und Gleichstromsystemen ergeben sich hierbei vier Grundfunktionen:

Eine einfache Ausführung eines netzgeführten Stromrichters stellt die ungesteuerte Zweipuls-Mittelpunktschaltung nach Abb. 8-1 dar. Durch die aufgeteilten Wicklungen des Transformators stehen zwei um 180° phasenverschobene Spannungen u_S1 und u_S2 zur Verfügung. Die Ventile wechseln sich daher in der Stromführung im Spannungsnulldurchgang der Sekundärspannungen ab. Bei idealen Ventilen liegt während der positiven Halbschwingung von u_S1 am Lastwiderstand R die Spannung ud=u_S1. Außerdem ist i_d=i_S1. Während der folgenden Halbperiode gilt: u_d=u_S2 und i_d=i_S2. Die Gleichspannung u_d ist eine Mischgröße.

Für den Betrieb einer Mittelpunktschaltung ist ein Transformator zur Bereitstellung des Mittelpunktanschlusses erforderlich. Die M3-Schaltung in Abb. 9-1 wird über einen Transformator in Dreieck-Stern-Schaltung (Dy) betrieben.

Stromrichterschaltungen entnehmen dem speisenden Netz im Allgemeinen nicht sinusförmige Ströme. Die Wirkung nicht sinusförmiger Ströme auf das speisende Netz führt zu den Erscheinungen: Diese Erscheinungen werden zusammenfassend als Netzrückwirkungen bezeichnet.

Bei lastgeführten Stromrichtern erfolgt die Ventilablösung durch die Lastspannung bzw. den Laststrom. Die Ventilsteuerung erfolgt somit in Bezug auf die Spannung- 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.

Unter selbstgeführten Stromrichtern versteht man Stromrichter zur Umformung von Gleichund Wechselströmen unter Verwendung abschaltbarer Bauelemente. Die Ventile können daher ohne führendes Netz kommutieren. Selbstgeführte Stromrichter arbeiten als Wechselrichter (WR) mit konstanter (d. h. eingeprägter) Spannung (UWR) oder mit eingeprägtem Strom (IWR). Wir betrachten zunächst 1-phasige Wechselrichterschaltungen.

Wegen der Bedeutung des Wechselrichters mit eingeprägter Spannung (UWR) wird im Weiteren die Wirkungsweise des UWR vertiefend behandelt. Wir unterscheiden in Abb. 13-1 Wechselrichter in Zwei- und Dreipunkttechnik sowie Multi-level-Wechselrichter.

Als „Raumzeiger“ wird eine Darstellungsform bezeichnet, die speziell für Berechnungen in 3- und 4-Leitersystemen geeignet ist. Die Raumzeigerdarstellung, anfangs nur für die Magnetfeldbeschreibung von Drehfeldmaschinen entwickelt, wird wegen der erheblichen Vereinfachung und Anschaulichkeit auch für die Beschreibung von Strömen und Spannungen in Mehrphasensystemen eingesetzt [5, 6]. Sie sind nicht zu verwechseln mit den (Zeit-) Zeigern der Wechselstromtechnik.

Viele wichtige Kennwerte von Pulsmustern und Stromrichtergrößen beziehen sich auf den stationären Betrieb und sind damit Grundlage für vergleichende Untersuchungen. Wir unterscheiden folgende Begriffe:

Eine Gleichstrommaschine besteht aus einem Erregersystem (dauermagnetisch oder elektrisch), welches im Allgemeinen im Ständer untergebracht ist, und einem Rotor, welcher die Funktion des Ankers übernimmt. Der Strom im Anker (I_A) bildet zusammen mit dem Erregerfeld (Φ) eine Lorentzkraft (Φ×I_A). Über den Radius des Rotors wird ein Drehmoment ausgebildet. Dreht sich der Rotor, so wird der Drehmoment bildende Leiter seitlich aus dem Magnetfeld heraus bewegt und die Kraft ändert sich mit dem Drehwinkel des Rotors. Damit das Drehmoment möglichst unabhängig von der Winkelstellung der stromdurchflossenen Leiter im Anker bleibt, wird der jeweils stromführende Leiter durch einen mechanischen Kontakt, den Kommutator, immer wieder in das Magnetfeld zurückgeschaltet. So kann der Rotor sich drehen und ein stromführender Leiter bleibt im Erregerfeld. In der Ankerwicklung fließt deshalb ein nahezu rechteckförmiger Wechselstrom, so dass der Rotor zur Reduzierung der Wirbelstromverluste immer geblecht ausgeführt wird. Der Zusammenhang zwischen Erregerfeld Φ, Ankerstrom I_A und den geometrischen Daten der sättigungsfrei angenommenen Maschine wird in einer Drehmomentkonstanten c_M in Gl. (16-1) zusammengefasst. Die Schaltbilder für beide Ausführungen mit elektrischer und dauermagnetischer Erregung zeigt Abb. 16-1.

Durch die europäische Vereinheitlichung sind gesetzliche Regelungen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von elektrischen Betriebsmitteln erlassen worden. Die zulässigen Grenzwerte werden durch die Fachgrundnorm EN 50081 für die Störfestigkeit und EN 50082 für das Störvermögen von Betriebsmitteln festgelegt. Für drehzahlveränderliche Antriebe gilt die EMV-Norm DIN EN 61800.

Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist ein Stromversorgungssystem mit einem Energiespeicher, der bei Störungen der Versorgungsspannung wie z. B.: eine beständige Versorgung der Last sicherstellt. Eine detaillierte Klassifizierung erfolgt nach IEC 62040-3. Hinsichtlich der Arbeitsweise unterscheiden wir zwischen einer Online- und einer Offline-USV. Bei der Offline-USV muss bei Ausfall der Versorgung die Stromversorgung zunächst umgeschaltet werden, so dass eine kurze „Schaltpause“ auftreten kann. Bei einer Online-USV werden die Verbraucher ständig über die USV versorgt, so dass bei einer Versorgungsstörung keine Beeinträchtigung der Verbraucher auftreten kann (Nachteil: Verluste). Eine USV kann einphasig (bis ca. 10 kVA) oder 3-phasig ausgeführt werden. Welche Art USV einzusetzen ist, hängt von der Art der Verbraucher ab und dem Schaden, der bei einer Versorgungsstörung auftreten kann.