Schaltnetzteile und ihre Peripherie (eBook)

Prof. Dipl.-Ing. Ulrich Schlienz lehrt im Studiengang Elektronik und Kommunikationstechnik an der Hochschule Reutlingen.

Vorwort zur dritten Auflage 6
Inhalt 7
1 Einführung 15
1.1 Vorbemerkung 15
1.2 Stromversorgungen 17
1.3 PFC Power-Factor-Corrector 18
1.3.1 Problemstellung 18
1.3.3 Geltende Norm 20
1.3.4 Lösung durch PFC 20
1.3.5 Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur 21
1.4 Die Ladungspumpe 23
1.4.1 Schaltungsbeispiele 23
1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe 24
1.5 Idealisierung 25
2 Der Abwärtswandler 27
2.1 Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom 27
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung 29
2.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb 30
2.1.4 Die Größe des Ausgangskondensators 31
2.1.5 Analytische erechnung des Effektivwertes 33
2.1.6 Numerische Bestimmung des Effektivwertes 34
2.2 Der Abwärtswandler mit lückendem Strom 36
2.2.1 Der Eingangsstrom 37
2.2.2 Der Ausgangsstrom 37
2.2.3 Die Ausgangsspannung 37
2.2.4 Grenze zum nicht lückenden Betrieb 38
2.2.5 Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms 39
2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator 40
2.3.1 Vorbemerkung 40
2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler 41
3 Der Aufwärtswandler 43
3.1 Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom 43
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung 44
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes 46
3.1.4 Berechnung der Induktivität L 46
3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität 47
3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs 47
3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom 48
3.2.1 Die Stromverläufe 48
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspannung 49
3.2.3 Normierung 49
3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb 50
3.3 Bidirektionaler Energiefluss 52
4 Der Multi-Parallel-Wandler 55
4.1 Der Einfach-Synchronwandler 55
4.1.1 Das Schaltbild 55
4.1.2 Die Stromverläufe 56
4.1.3 Berechnung der Stromeffektivwerte 56
4.2 Der Zweifach-Synchronwandler 59
4.2.1 Das Schaltbild 59
4.2.2 Die Stromverläufe 59
4.2.3 Berechnung der Effektivwerte 60
4.2.4 Die Stromverläufe für vT < 0,5
4.3 Vierfach-Synchronwandler 63
4.3.1 Das Schaltbild 63
4.4 Gegenüberstellung der Ergebnisse 64
4.5 Synchronisation von Mehrfachwandlern 66
4.5.1 I-I-Messung 67
4.5.2 I-T-Control 67
4.5.3 PWM-gesteuert 69
4.6 Vergleich der Synchronisationsverfahren 71
5 Der Inverswandler 73
5.1 Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom 73
5.1.1 Die Ausgangsspannung 75
5.1.2 Berechnung der Induktivität L 76
5.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb 77
5.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom 78
6 Der Sperrwandler 81
6.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom Ue 81
6.1.1 Die Ausgangsspannung 82
6.1.2 Berechnung der Induktivität L 83
6.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom 85
6.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien 86
6.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen 89
6.4 Dimensionierungsbeispiel 90
6.4.1 Die quantitativen Strom- und Spannungsverläufe 90
6.4.2 Berechnung der Effektivwerte 91
6.4.3 Dimensionierung des Trafos 92
6.4.4 Gegenüberstellung der Verluste 94
7 Der Eintaktflusswandler 95
7.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom 95
7.1.1 Die Ausgangsspannung 96
7.1.2 Die Primärseite 97
7.1.3 Die Induktivität L 98
7.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs 99
7.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom 100
7.2.1 Die Strom- und Spannungsverläufe 100
7.2.2 Normierte Ausgangsgrößen 101
7.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs 102
7.2.4 Die Ausgangsdiagramme 102
8 Der Gegentaktflusswandler 105
8.1 Schaltung und Kurvenverläufe 105
8.1.1 Die Ausgangsspannung 106
8.1.1 Ansteuerung des Gegentaktwandlers 107
8.2 Brücken 110
8.3 Sperrverzugszeit von Dioden 112
8.3.1 Problemstellung 112
8.3.2 Messschaltung 112
8.3.3 Abhilfe 113
8.4 Dimensionierungsbeispiel 115
9 Resonanzwandler 119
9.1 Die Boucherot-Schaltung 119
9.1.1 Beziehungen 119
9.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung 122
9.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle 123
9.1.4 Realisierung der Rechteckspannung 124
9.1.5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe 124
9.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstroms 126
9.2.1 Grundschaltung 126
9.2.2 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten 127
9.2.3 Ausgangskennlinie 128
9.2.4 Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung 129
9.2.5 Umschwingbedingung 130
9.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz 132
9.3.1 Schaltung 132
9.3.2 Vereinfachte Schaltung 132
9.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang 133
9.3.4 Spannungs- und Stromverläufe 133
9.3.5 Beziehungen 134
9.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung 135
9.4 Vergleich „hartes“ Schalten – Umschwingen 136
9.4.1 Beispielschaltung 136
9.4.2 Beziehungen 136
9.4.3 Auswirkung auf die ohmschen Verluste in der Drossel 139
10 Leistungsschalter 141
10.1 Der MOSFET 141
10.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET 141
10.1.2 Die Body-Diode 141
10.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET 143
10.1.4 Einschaltvorgang 143
10.1.5 Ausschaltvorgang 144
10.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET 144
10.1.7 Die Avalanchefestigkeit 145
10.2 Der SenseFET 146
10.3 Der TOPFET 148
10.4 Der IGBT 149
10.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs 149
10.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs 149
10.5 Brückenbausteine 150
10.6 Schaltverluste 151
10.6.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last 152
10.6.2 Abschaltvorgang mit induktiver Last 153
10.6.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste 154
10.7 Verbesserte Freilaufdiode 155
10.8 Verpolschutzdiode (Kfz) 156
11 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs 157
11.1 Einfache Treiberschaltungen 157
11.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern 158
11.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe 158
11.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate 159
11.1.4 Treiber-ICs 160
11.2 Treiberschaltungen mit Potentialtrennung 161
11.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten 161
11.2.2 Treiber mit Impulsübertrager 162
11.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers 166
11.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers 167
11.2.5 Potentialfreie Ansteuerung eines Polwenders 168
11.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten 171
11.2.7 Primäransteuerung 172
11.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren 173
11.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe 173
11.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter 176
11.4 DC-Motoren 177
11.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors 177
11.4.2 Belastungskurven 177
11.4.3 Drehzahlvorsteuerung 178
12 Regelung der Wandler 179
12.1 PWM-Erzeugung 179
12.2 Regelung der Ausgangsspannung 180
12.3 Analoger PI-Regler 181
12.3.1 PI-Regler mit OP-Schaltung 181
12.3.2 Passiver PI-Regler 182
12.4 Einsatz von integrierten Schaltkreisen 183
12.5 Verwendung von Mikrocontrollern 185
12.5.1 DA-Wandler 185
12.5.2 Programmierter PWM-Generator 188
12.6 Programmierung eines PI-Reglers 193
13 Magnetische Bauteile 195
13.1 Grundlagen des magnetischen Kreises 195
13.1.1 Die Luftspule 195
13.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit 197
13.2 Dimensionierung von Spulen 202
13.2.1 Vorbemerkung 202
13.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises 203
13.2.3 Bestimmung des AL-Wertes 203
13.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule 204
13.2.5 Ortskurve der Spule 205
13.2.6 Kupferverluste in der Wicklung 205
13.2.7 Verlustwinkel und Güte 206
13.3 Der Transformator 207
13.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe 207
13.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos 209
13.3.3 Dimensionierung des Trafos 212
13.4 Dimensionierung von Wicklungen 214
13.4.1 Die Primärwicklung 214
13.4.2 Skin-Effekt 215
13.4.3 Folienwicklung 217
13.4.4 Der Wicklungsaufbau 218
13.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit 219
13.5 Stromspitzen bei Transformatoren 221
13.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve 221
13.5.2 Normalbetrieb 222
13.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen 222
13.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung 222
13.6 Der Stromwandler 223
13.6.1 Anwendungsbereich 223
13.6.2 Die Schaltung 223
13.6.3 Ein Ausführungsbeispiel 224
13.6.4 Stromwandler mit Gleichrichter 224
13.6.5 Stromwandler in Schaltschränken 224
14 Kondensatoren für die Leistungselektronik 225
14.1 Grundsätzliches 225
14.2 Elektrolytkondensatoren 226
14.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren 226
14.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren 227
14.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren 227
14.3 Folienkondensatoren 230
15 Die Kopplungsarten 233
15.1 Allgemeines 233
15.1.1 Verkopplungen erkennen 234
15.2 Die Widerstandskopplung 236
15.2.1 Prinzip der Widerstandskopplung 236
15.2.2 Abhilfemaßnahmen 237
15.2.3 Beispiele 238
15.2.4 Widerstandsberechnung 242
15.3 Die kapazitive Kopplung 244
15.3.1 Prinzip der kapazitiven Kopplung u1 244
15.3.2 Vermeidung und Abhilfemaßnahmen 245
15.3.3 Beispiele 246
15.3.4 Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor 248
15.4 Die magnetische Kopplung 249
15.4.1 Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung 249
15.4.2 Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung 249
15.4.3 Beispiele 250
15.5 Strahlungskopplung 253
15.5.1 Allgemeines 253
15.5.2 Prinzip der Strahlungskopplung 253
15.5.3 Abhilfemaßnahmen 254
15.5.4 Messung am Kraftfahrzeug 255
15.6 Beispiele aus der Leistungselektronik 256
15.6.1 Kommutierungsvorgang an den Leistungsschaltern 256
15.6.2 Ankopplung des Treibers an den Leistungsschalter 256
16 Störquellen 257
16.1 Zeitbereich – Frequenzbereich 257
16.1.1 Bandbreite 257
16.1.2 Störempfindlichkeit 258
16.1.3 Messprinzip 258
16.2 Fourierreihen 259
16.3 Der Rechteckimpuls 260
16.4 Der Trapezverlauf 266
16.5 Störungen in einem konventionellen Netzteil 269
17 Symmetrie 271
17.1 Prinzip der Symmetrie 271
17.2 Wie erreichen wir die Symmetrie? 272
17.3 Definition der Masse 273
17.4 Einfluss von leitenden Flächen 275
17.5 Verdrillte Leitungen 276
17.6 Symmetrische Datenübertragung 276
17.6.1 Prinzip 276
17.6.2 Eigenschaften 277
17.6.3 Grenzen des Verfahrens 277
17.6.5 Beispiele 278
18 EMV in der Schaltungstechnik 279
18.1 Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten 279
18.1.1 Widerstände 279
18.1.2 Kondensatoren 279
18.1.3 Induktivitäten 280
18.1.4 Der Operationsverstärker 281
18.1.5 Komparatoren 283
18.1.6 Subtrahierverstärker 285
18.1.7 Digitalschaltungen und Prozessoren 287
18.1.8 Die Leiterplatte 288
18.2 Übergang von analog auf digital 290
18.2.1 Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen 290
18.2.2 Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten 291
18.2.3 Flipflop als Schnittstelle 291
18.2.4 Anschluss an AD-Wandler 291
18.3 Überspannungsschutz 292
18.3.1 Schutzelemente 292
18.3.2 Prüfschaltung „Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe“ 294
18.4 EMV-gerechte Eingangsschaltung 295
18.4.1 Tipps für den Aufbau 295
18.5.1 Nichtbeschaltete Interrupteingänge 296
18.5.2 Illegale Op-Codes 296
18.5.3 Watchdogs 296
18.5.4 Plausibilitätsabfragen 296
18.5.5 Programme testen 297
18.5.6 Wie störfest ist eine Schaltung? 297
18.5 Maßnahmen in der Software 296
18.6 Spezifische EMV-Aspekte bei Schaltreglern 298
18.6.1 Der Synchronabwärtswandler als Beispiel 298
18.6.2 Eingangs- und Ausgangsfilter 298
18.6.3 Masseverdrahtung 299
18.6.4 Anschluss der Treiber 300
18.6.5 Messen der Ausgangsspannung 300
18.6.6 Aufgespannte Fläche 300
Literaturverzeichnis 301
Sachwortverzeichnis 303

12.5.2 Programmierter PWM-Generator (S. S. 174-175)

Das PWM-Signal lässt sich natürlich auch mit dem Prozessor programmieren, wenn man den Timer als Zeitbasis mitverwendet. Dies erscheint auf den ersten Blick unnötig kompliziert, da es ja auch Prozessoren mit eingebauten PWM-Generatoren gibt. Betrachtet man jedoch die Kosten, so wird schnell klar, dass eine programmierte PWM im speziellen Fall durchaus sinnvoll sein kann. Dass der Prozessor noch weitere Funktionen, wie z. B. Spannungsüberwachung, Regelung usw. übernehmen kann, macht die Lösung besonders attraktiv. Im vorliegenden Fall sollte eine Teichpumpe solar betrieben werden. Die Pumpe hat einen Synchron-Motor, der normalerweise an der herunter transformierten Netzspannung mit 50 Hz betrieben wird. Da der Synchron-Motor (Spaltmotor) eine hervorragende Lebensdauer hat, sollte an dem Motor nichts verändert werden. Somit musste der Solarstrom als Wechselstrom zur Verfügung gestellt werden.

Dazu wurde direkt am Solarmodul ein Kleinwechselrichter verbaut, der aus 15V-Gleichspannung 12V-Wechselspannung erzeugt und zwar mit variabler Frequenz. Wenn die Sonne stark scheint und viel Energie zur Verfügung steht, soll die Pumpe im Nennbetrieb arbeiten. Ist es bewölkt, soll die Pumpe gemäß ihrem Energieangebot schwächer arbeiten. Das bedeutet aber, dass die Drehzahl gesenkt werden muss. Beim Synchron-Motor sind Frequenz der Versorgungsspannung und Drehzahl exakt synchron (daher der Name). Deshalb muss bei reduzierter Leistung die Frequenz der Wechselspannung entsprechend reduziert werden. Der Wechselrichter arbeitet also mit variabler Spannung und variabler Frequenz.

Die Anforderungen von der Leistungselektronik lassen sich mit einer Vollbrücke realisieren. Sie wird mit einem PWM-Signal angesteuert, das sowohl im Tastverhältnis, als auch in der Frequenz variabel ist. Eine Sinushalbwelle wurde mit lediglich 20 Stützstellen angenähert und die Zahl der PWM-Perioden ebenfalls auf 20 pro Halbwelle festgelegt. Mit einer maximalen Frequenz von 50 Hz ergibt sich damit für die kürzeste PWM-Periodendauer 500 s. Folgende Daten liegen vor bzw. müssen erfüllt werden:

Prozessor:
– 8-Bit-CMOS-Prozessor
– interne Taktfrequenz: 2 MHz
– Timerfrequenz: 500 kHz
– Gehäuse: SO28

PWM:
– Frequenz max. 2 kHz
– Tastverhältnis: 0 bis 100 %
– Randbedingung: Zu kurze Impulse müssen unterdrückt werden, d. h. die PWM springt z. B. von 90 % auf 100 %, da 91 % eine zu kurze „Aus"-Zeit bedeuten würde. Die gesamte Schaltung ist in Bild 12.15 dargestellt. Das SO28-Gehäuse ist eigentlich zu groß. Ein SO20-Gehäuse würde ausreichen. Die Motoransteuerung erfolgt hier so, dass nur die linke Brückenhälfte getaktet wird. PortA7 und PortA6 sind also die Timer-Ausgänge. Die rechte Brückenhälfte wird nur beim Polaritätswechsel – also im Nulldurchgang der Sinuskurve – geschaltet. PortA5 und PortA4 sind einfache Portfunktionen.

Zusätzliche Aufgaben des Prozessors:
– Messen der Modulspannung
– Regelung auf konstanten Wert
– Festlegung von Frequenz und Spannung aus einem Kennlinienfeld
– Bedienung einer Schnittstelle