Leistungselektronik (eBook)

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Franz Zachgeb. 5.12.1942 in Wien, Studium der Elektrotechnik ab 1960 an der TU Wien, Abschluß Anfang 1965, Promotion 1968 zum Dr. techn. Ab Juni 1969 Mitarbeit bei der NASA bei der Regelung von Erdsatelliten. 1972 Rückkehr nach Österreich und Habilitation für "Leistungselektronik und Industrielle Elektronik". Ab 1974 Univ.-Prof. und Leiter der Abteilung für Leistungselektronik an der TU Wien. Forschungsaufenthalte bei General Electric. Forschungsprojekte, gefördert von Siemens GWW, Fronius, FWF u. a. Circa 130 Publikationen in Fachzeitschriften und auf internationalen Konferenzen sowie die Fachbücher "Technisches Optimieren" und "Leistungselektronik", beide erschienen im Springer-Verlag.

Title page 3
Copyright page 4
Vorwort zur 1. Auflage 5
Vorwort zur 2. Auflage 7
Vorwort zur 3. Auflage 8
Vorwort zur 4. Auflage 9
Table of contents 14
Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole 47
1. Einleitung 53
1.1 Grundprinzipien der Leistungselektronik 53
1.2 Stellung der Leistungselektronik in der Elektrotechnik und Anwendungsgebiete 54
1.3 Methoden der Leistungselektronik 55
1.4 Einteilung der leistungselektronischen Schaltungen 55
1.5 Historisches 55
1.6 Aufbau und Organisation des vorliegenden Werkes 56
2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen 58
2.1 Mathematische Grundlagen 58
2.1.1 Fouriersche Reihen 58
2.1.1.1 Allgemeine Formeln 58
2.1.1.2 Spezielle Funktionen bzw. Symmetrien (Abb. 2.1) 61
2.1.1.3 Wichtige Fourierreihen 65
2.1.1.3.1 Allgemeine Verläufe 65
2.1.1.3.2 Spezielle Funktionen der Leistungselektronik 70
2.1.2 Laplacetransformation 101
2.1.3 Geometrische Reihen, exponentielle Verläufe und quadratische Gleichungen 102
2.1.4 Berechnung von Schaltungen der Leistungselektronik 103
2.2 Elektrotechnische Grundlagen 107
2.2.1 Allgemeines 107
2.2.2 Spannungen und elektromotorische Kräfte (Zählpfeile und Definitionen) 107
2.2.3 Transformatoren 108
2.2.4 Drehstromsysteme – Verhalten bei Oberschwingungen 109
2.2.5 Leistungsarten und Kennwerte nichtsinusförmiger Ströme und Spannungen 111
2.2.6 Kennwerte bei nichtsinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor
2.3 Literatur 122
Anhang 2A.Winkelfunktionen – Additionstheoreme 124
3. Bauelemente der Leistungselektronik 125
3.1 Allgemeines 125
3.2 Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik 125
3.3 Diode 126
3.3.1 Statisches Verhalten 127
3.3.2 Dynamisches Verhalten 129
3.3.3 Abhängigkeiten von der Temperatur 130
3.4 Transistoren 131
3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise? 131
3.4.2 Stromverstärkung 132
3.4.3 Kennlinienfeld 133
3.4.4 Grenzdaten von Transistoren und Kühlung 135
3.4.4.1 Spannungsgrenzen 135
3.4.4.2 Stromgrenze 135
3.4.4.3 Leistungsgrenze 136
3.4.4.4 Kühlung 136
3.4.4.5 Grenzdaten bei Schalt- oder Impulsbetrieb 137
3.4.4.6 Zusammenstellung der Grenzwerte 138
3.4.4.7 Lebensdauer des Leistungstransistors 139
3.4.5 Parallelschaltung und Verluste 139
3.4.5.1 Aufteilung des Gesamtstromes 139
3.4.5.2 Stromverstärkungsverlauf und minimale Steuer- und Durchlaßverluste 140
3.4.6 Zeitliches Schaltverhalten 140
3.4.7 Transistoren für höhere Spannungen [3.26] 141
3.5 Thyristoren 144
3.5.1 Aufbau und Wirkungsweise 144
3.5.2 Statisches Verhalten und Zündung 146
3.5.2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung 146
3.5.2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung (Blockierzustand) 147
3.5.2.3 Durchlaßzustand 149
3.5.2.4 Zündvorgang?? und Eingangskennlinie 149
3.5.2.5 Empfohlene Steuerdaten 151
3.5.3 Dynamisches Verhalten Schaltvorgänge
3.5.3.1 Große Spannungssteilheit in Vorwärtsrichtung 152
3.5.3.2 Einschaltvorgang und hohes di/dt 152
3.5.3.3 Ausschaltvorgang – Freiwerdezeit 154
3.5.3.3.1 Spannungsnachlaufzeit ts – Rückstrom iR 156
3.5.3.3.2 Freiwerdezeit tq 156
3.5.4 Thermisches Verhalten – Verlustleistung 157
3.5.4.1 Statische Verluste 157
3.5.4.2 Dynamische Verluste 157
3.5.4.3 Ermittlung des Temperaturverlaufs und Kühlung 158
3.5.5 Beschaltung von Thyristoren 159
3.5.5.1 Dämpfung der Ausschaltüberspannungen (TSE-Beschaltung) 159
3.5.5.2 Serienschaltung von Thyristoren 163
3.5.5.3 Parallelschaltung von Thyristoren 165
3.5.5.4 Überstrom- und Überspannungsschutz 165
3.5.6 Grenzkennlinien 169
3.5.7 Bauformen 171
3.5.8 Technologische Verbesserungen 172
3.5.8.1 Amplifying Gate [größeres (di/dt)max] 172
3.5.8.2 Querfeldemitter 173
3.5.8.3 Shorted Emitter 174
3.6 Vergleich von Transistor und Thyristor 175
3.6.1 Unterschiede im Aufbau und im statischen Betrieb 175
3.6.2 Unterschiede im Schaltbetrieb 176
3.6.3 Unterschiede in den dynamischen Grenzwerten und bei Überlastung 177
3.6.4 Weitere Unterschiede 177
3.6.5 Zusammenfassung 177
3.7 Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik 178
3.7.1 Unijunction-Transistor (Doppelbasisdiode) 178
3.7.2 Triac 179
3.7.3 Diac, Glimmlampe 180
3.8 Literatur 180
4. Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen 183
4.1 Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen 183
4.1.1 Allgemeines 183
4.1.2 Einteilungsgrundsätze leistungselektronischer Schaltungen 183
4.2 Fremdgeführte Schaltungen 186
4.2.1 Allgemeines 186
4.2.2 Netzgeführte Schaltungen 187
4.2.2.1 Grundbegriffe zur Arbeitsweise netzgeführter Schaltungen 187
4.2.2.1.1 Löschung 187
4.2.2.1.2 Zündverzögerung und Kommutierung 188
4.2.2.1.3 Grundlegende Betriebsfälle 194
4.2.2.1.4 Überlappung 213
4.2.2.2 Anschnittsteuerung: Gleich- und Wechselrichterbetrieb Überlappung
4.2.2.2.1 Prinzipielles zur Spannungssteuerung 213
4.2.2.2.2 Steuerungskennlinien bei Anschnittsteuerung für p = 2 215
4.2.2.2.3 Lückender und nichtlückender Betrieb und Steuerungsgesetze für p > 2
4.2.2.2.4 Wechselrichterbetrieb bei Netzführung 219
4.2.2.2.5 Überlappung 222
4.2.2.2.6 Innere Spannungsabfälle 230
4.2.2.3 Grundlegende Arten von netzgeführten Schaltungen 232
4.2.2.3.1 Mittelpunktschaltungen 232
4.2.2.3.2 Brückenschaltungen 234
4.2.2.3.3 Saugdrosselschaltung 246
4.2.2.3.4 Wechselstrom- sowie Drehstromschalter und -steller 252
4.2.2.4 Spezielle Probleme der Schaltungen mit Netzführung 262
4.2.3 Lastgeführte Schaltungen 289
4.3 Selbstgeführte Schaltungen 298
4.3.1 Allgemeines 298
4.3.2 Gleichstromsteller 299
4.3.2.1 PrinzipielleWirkungsweise 299
4.3.2.2 Anordnung von Löschschaltungen 307
4.3.2.3 Weitere Löschschaltungen und Erweiterungen 309
4.3.2.3.1 Allgemeines 309
4.3.2.3.2 Systematik der Löschschaltungen 309
4.3.2.3.3 Schaltungstechnische Erweiterungen und Verbesserungen der Löschschal-tungen 316
4.3.2.4 Energierückgewinnung 319
4.3.2.5 Zwei- und Vierquadrantensteller, Prinzip des selbstgeführten Wechselrichters 321
4.3.2.6 Pulsgesteuerter Widerstand 324
4.3.2.7 Einschaltprobleme bei Gleichstromstellern bzw. bei Löschschaltungen 324
4.3.3 Selbstgeführte Wechselrichter, Pulswechselrichter 325
4.3.3.1 Allgemeines 325
4.3.3.2 Einphasige Schaltungen 326
4.3.3.2.1 Mittelpunktschaltungen 326
4.3.3.2.2 Brückenschaltungen 340
4.3.3.3 Dreiphasige Wechselrichter 345
4.3.3.3.1 Allgemeines 345
4.3.3.3.2 Phasenfolgelöschung 346
4.3.3.3.3 Spannungsverläufe 350
4.3.3.3.4 Einzellöschung 361
4.3.3.3.5 Belastung durch Wechselstrommotoren 363
4.3.3.3.6 Steuerung der Ausgangsspannung 368
4.3.3.3.7 Zwischenkreise, Umrichter 368
4.3.3.3.8 (Spannungs-)Wechselrichter (Umrichter) mit steuerbarer Zwischenkreis-spannung 369
4.3.3.3.9 (Puls-)Wechselrichter (Umrichter) mit konstanter Zwischenkreisspannung(Puls-Spannungswechselrichter) 375
4.3.3.3.10 Wechselrichter (Umrichter) mit Gleichstromzwischenkreis (Stromwechselrichter) 375
4.3.3.3.11 Vergleich von Spannungswechselrichtern und Stromwechselrichtern sowieZusammenfassung 378
4.3.3.3.12 Betriebskennlinien selbstgeführter Schaltungen 384
4.4 Literatur 385
Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik 387
4A.1 Allgemeines 387
4A.2 Momenten / Zeit- bzw. Drehzahl / Zeit-Verlauf 388
4A.3 Asynchronmotor und Ventilator mit verstellbaren Flügeln 388
4A.4 Gleichstrommotor und Ventilator mit feststehenden Flügeln 395
4A.5 Berechnung der Blindleistungen für beide Motoren 405
4A.6 Zusammenfassung 407
Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen 407
Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen 417
4C.1 Allgemeines 417
4C.2 u-Zi-Diagramm für den Löschkondensator eines Gleichstromstellers 417
4C.3 Aufladevorgang bei selbstgeführten Wechselrichtern 418
4C.4 McMurray-Inverter 418
4C.5 Betriebskennlinien 421
4C.6 Strukturen der Löschschaltungen 423
Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und 4.2 427
4D.1 Tafel 4.1 (Systeme der Leistungselektronik) 427
4D.2 Tafel 4.2 (Strukturen selbstgeführter Schaltungen) 430
Anhang 4E. Dimensionierungshinweise 430
4E.1 Netzgeführte Schaltungen 430
4E.2 Selbstgeführte Schaltungen 430
4E.2.1 Gleichstromsteller 430
4E.2.2 Selbstgeführte Wechselrichter 434
4E.2.2.1 Allgemeines 434
4E.2.2.2 Dimensionierung von Kondensatoren und Induktivitäten 434
4E.2.2.2.1 Spannungswechelrichter 434
4E.2.2.2.2 Stromwechselrichter 441
4E.2.2.3 Dimensionierung von Thyristoren und Dioden 442
4E.2.2.4 Dimensionierung der Zwischenkreise 445
4E.3 Auslegung der Steuerungskreise 446
5. Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen) 447
5.1 Allgemeines 447
5.2 Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel- und Drehstromsteller 448
5.2.1 Steuerungen bei Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität und allgemeine Prinzipien 448
5.2.2 Steuerungen bei Verbrauchern mit induktivem Anteil 454
5.3 Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung) 456
5.3.1 Allgemeines 456
5.3.2 Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität 457
5.3.2.1 Nullspannungsschalter in diskreter Ausführung 457
5.3.2.2 Integrierte Nullspannungsschalter 458
5.3.3 Induktive Last – Nullstromsteuerung 459
5.4 Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern [5.15] 461
5.4.1 Einführung, Drehmoment–Drehzahl-Diagramm 461
5.4.2 Einquadrantenbetrieb 463
5.4.3 Zweiquadrantenbetrieb 464
5.4.4 Umkehrbetrieb (Vierquadrantenbetrieb) 465
5.4.5 Zusammenfassung der Steuerungsgesetze 479
5.4.5.1 Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode 479
5.4.5.2 Vollgesteuerte Schaltungen mit Freilaufdiode 480
5.4.5.3 Halbgesteuerte Schaltungen 481
5.4.5.4 Zusammenfassung der Steuerkennlinien und Kompoundierung 481
5.5 Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller 482
5.6 Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen 488
5.6.1 Steuerung der Eingangsgleichspannung 488
5.6.2 Zündeinsatzsteuerung (Zündwinkelsteuerung, Impulsbreitensteuerung mit einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung) 488
5.6.3 Impulsbreitensteuerung (mit mehr als einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung einfache Form des Pulswechselrichters)
5.6.4 Erzeugung sinusähnlicher Spannungen (Pulswechselrichter) 491
5.6.5 Erhöhung der Pulszahl 500
5.6.6 Generelles zum dreiphasigen Betrieb 501
5.7 Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischenkreis 501
5.7.1 Allgemeine Steuerung 501
5.7.2 „Stromrichtermotor“ 504
5.8 Direktumrichter und ihre Steuerungen 506
5.9 Transvektorregelung 513
5.10 Weitere Steuerungsarten 514
5.11 Literatur 515
6. Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen 517
6.1 Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen 517
6.1.1 Allgemeines 517
6.1.2 Vorschriften 520
6.1.2.1 Internationale Vorschriften und elektrische Netze 520
6.1.2.2 Nationale Vorschriften 525
6.1.2.3 Ergänzende Bemerkungen 527
6.2 Leistungsfaktor und Oberschwingungen 527
6.2.1 Gesteuerte Gleich- und Wechselrichter mit Netzführung 527
6.2.1.1 Leistungsfaktor cos ?1 527
6.2.1.2 Oberschwingungen des Netzstromes und der Lastspannung 529
6.2.1.2.1 Überlappung u = 0 529
6.2.1.2.2 Überlappung u > 0
6.2.1.2.3 Kommutierungseinbrüche 540
6.2.2 Nullspannungssteuerung (Impulspaket- oder Schwingungspaketsteuerung) 543
6.2.3 Wechselstrom- und Drehstromsteller 544
6.2.4 Direktumrichter 545
6.3 Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes 545
6.3.1 Allgemeines 545
6.3.2 Maßnahmen durch geeignete Wahl bzw. Auslegung der leistungselektronischen Schaltung 546
6.3.2.1 Verbesserung des Leistungsfaktors 546
6.3.2.1.1 Freilaufdioden 546
6.3.2.1.2 Folgesteuerung 548
6.3.2.1.3 Vollständige Elimination der Phasenverschiebung und Erzeugung kapazitivenVerhaltens 552
6.3.2.1.4 Weitere Methoden zur Reduktion der Phasenverschiebung im Netz 553
6.3.2.1.5 Vergleich der angegebenen Methoden bezüglich Blindleistung 553
6.3.2.2 Reduktion der Netzstromharmonischen 554
6.3.2.2.1 Erhöhung der Pulszahl 554
6.3.2.2.2 Steuerungstechnische Maßnahmen zur Reduktion der Netzstromoberschwingungen 555
6.3.2.3 Gleichzeitige Optimierung von Leistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt 557
6.3.3 Kompensationsmethoden (Störungsminderung durch Zusatzeinrichtungen außerhalb der leistungselektronischen Schaltung) 557
6.3.3.1 Allgemeines 557
6.3.3.2 Verbesserung des Leistungsfaktors 558
6.3.3.3 Verbesserung des Oberschwingungsverhaltens 559
6.3.3.3.1 Filter (Saugkreise) 559
6.3.3.3.2 Statistische Kompensation von Oberschwingungen 562
6.4 Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts- und Leistungsfaktoroptimierung 564
6.4.1 Allgemeine Prinzipien 564
6.4.2 Steuerungsgesetze für ohmsche Last 567
6.4.3 Steuerungsgesetze für induktive Last 569
6.5 Filter (Saugkreise, Siebkreise??) 571
6.5.1 Allgemeines 571
6.5.2 Filter bei netzgeführten Schaltungen 572
6.5.2.1 Glättung von Lastspannungen 572
6.5.2.2 Glättung des Netzstromes 577
6.5.3 Filter für selbstgeführte Schaltungen 577
6.5.3.1 Aufbau und Übertragungsfunktion 577
6.5.3.2 Dimensionierung von L und C 580
6.5.3.3 Das Ott-Filter 582
6.5.3.4 Weitere Methoden zur Verbesserung der Ausgangsspannung [3.2], [6.57] 583
6.6 Transformatoren für Stromrichter 583
6.6.1 Allgemeines 583
6.6.2 Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1) 588
6.6.3 Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2) 590
6.6.4 Zweipuls-Brückenschaltung (B2) 592
6.6.5 Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3) 593
6.6.6 Sechspulsschaltungen 597
6.6.6.1 Dreiphasige Reihenschaltung 597
6.6.6.2 Sechspuls-Brückenschaltung (Dreiphasen-Brückenschaltung B6) 598
6.6.6.3 Sechspuls-Mittelpunktschaltung (M6) 601
6.6.6.4 Saugdrosselschaltung (Doppel-Dreipuls-Mittelpunktschaltung, parallel, M3.2) 603
6.6.6.4.1 Berechnung der Transformatortypenleistung 603
6.6.6.4.2 Berechnung der Saugdrosseltypenleistung 605
6.6.6.4.3 Sperrspannung 606
6.6.6.5 Vergleichendes Beispiel: Dimensionierung mit Brücken- und Saugdrosselschaltung 606
6.6.7 Ergänzende Bemerkungen 608
6.6.7.1 Berücksichtigung der Überlappung 608
6.6.7.2 Berücksichtigung der Magnetisierungskennlinien 608
6.6.8 Bemerkungen zu Tafel 6.1 (Spannungen und Ströme wichtiger netzgeführter Schaltungen mit Zahlenbeispielen) 609
6.7 Literatur 611
7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 614
7.1 Einführung 614
7.2 Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen 617
7.3 Vorschriften, Normen und Meßmethoden 620
7.3.1 Allgemeines 620
7.3.2 Störspannung im Bereich von 0 bis 20 kHz und Gefährdungsspannung 621
7.3.2.1 Praktisches Beispiel 621
7.3.2.2 Geräuschspannung (Stör- und Fremdspannung) 622
7.3.2.3 Längsspannung (Gefährdungsspannung) 622
7.3.3 Störungen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz 623
7.3.4 Störungen im Bereich ab 30 MHz 625
7.3.5 Zusammenfassung 627
7.4 Berechnungen von Beeinflussungsspannungen 627
7.5 Entstörungsmaßnahmen 628
7.6 Literatur 631
8. Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick) 634
8.1 Allgemeines 634
8.2 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) 635
8.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) 637
8.4 Leistungselektronik in Flugzeugen und in der Raumfahrt 638
8.5 Erzeugung hoher Gleichspannung für geringe Leistungen 639
8.6 Netzgeräte 642
8.7 Stromversorgung in der Elektrochemie 642
8.8 Weitere Stromversorgungsanlagen 642
8.9 Thyristor-Wechselspannungsregler 643
8.10 Ladegleichrichter 644
8.11 Widerstandsschweißen 644
8.12 Anwendungen von Wechsel- und Drehstromstellern 645
8.13 Thyristoren bei Induktionsheizungs- und Induktionsschmelzanlagen 645
8.14 Verschiedene Anwendungen für kleine Leistungen 645
8.15 Thyristorerregung von Synchronmaschinen 645
8.16 Leistungselektronische Schaltungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Netzen 645
8.17 Oberschwingungen (Netzrückwirkungen und Funkstörungen) 646
8.18 Stromrichterantriebe einschließlich Anwendungen in Fahrzeugen 646
8.18.1 Gleichstromantriebe 648
8.18.1.1 Anwendung von netzgeführten Stromrichtern 648
8.18.1.2 Anwendung von Gleichstromstellern 650
8.18.2 Wechselstromantriebe 651
8.18.2.1 Systeme mit nicht steuerbarer Frequenz 652
8.18.2.2 Systeme mit steuerbarer Frequenz 653
8.18.3 Vergleich Drehstromantrieb ? Gleichstromantrieb 655
8.19 Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik 656
8.20 Thyristorsteuerung mitMikroprozessoren 656
8.21 Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik 660
8.22 Literatur 660
Anhang 8A. Neuere Methoden für Spannungssteuerungen und Stromregelungen 666
9. Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke 670
9.1 Einleitung 670
9.2 Deutsch- und englischsprachige Fachzeitschriften, in denen regelmäßig (zumindest des öfteren) leistungselektronische Probleme behandelt werden bzw. wurden 670
9.3 Konferenzen 672
9.4 Sammelwerke 675
9.5 Normen 676
9.5.1 Grundlegende Normen 677
9.5.2 Bauelemente 678
9.5.3 Schaltungstechnik 678
9.5.4 Netzrückwirkungen 679
9.5.5 EMV 679
9.5.6 Zusammenfassende und erläuternde Publikationen zu den deutschen (bzw. auch zu internationalen) Vorschriften zur EMV 679
10. Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen 681
10.1 Einführung 681
10.1.1 Grundsätzliches 681
10.1.2 Moderne Leistungshalbleiter (Überblick) 681
10.1.3 Allgemeine Betrachtung von Leitmechanismen in Halbleitern 684
10.2 Dioden in der Leistungselektronik 687
10.2.1 Einleitung 687
10.2.2 Ein- und Ausschaltverhalten schneller Leistungsdioden 688
10.2.3 pin- und psn-Dioden? 689
10.2.4 Schottkydioden 691
10.3 Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke 692
10.3.1 Einführung 692
10.3.2 Aufbau 693
10.3.3 Schaltverhalten 693
10.3.4 Antisättigungsnetzwerke 695
10.3.5 Parallelbetrieb 696
10.3.6 Entlastungsnetzwerke 697
10.3.6.1 Ausschaltentlastung 697
10.3.6.2 Einschaltentlastung 703
10.3.7 Verlustleistungsoptimierung 705
10.3.8 Darlingtonstufe 709
10.4 Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs) 710
10.4.1 Einführung 710
10.4.2 Aufbau 710
10.4.3 Funktionsweise 713
10.4.3.1 Einschaltvorgang 713
10.4.3.2 Ausschaltvorgang 714
10.4.3.3 Dynamischer Avalanche 716
10.4.4 Steuergenerator 717
10.4.5 Reihen- und Parallelschaltung von GTOs 719
10.5 Power-MOSFET 720
10.5.1 Aufbau und Wirkungsweise 721
10.5.2 Statisches Verhalten 728
10.5.3 Dynamisches Verhalten 730
10.5.4 Betriebsgrenzen 734
10.5.4.1 Gatespannung 734
10.5.4.2 Drainspannung 734
10.5.4.3 Drainspannungsanstieg 734
10.5.4.4 Drainstrom 735
10.5.4.5 Thermische Grenzen 735
10.5.5 Verluste 736
10.5.5.1 Statische Verluste 736
10.5.5.2 Dynamische Verluste 736
10.5.6 Beschaltungen des MOSFETs 736
10.5.6.1 Gatebeschaltung 736
10.5.6.2 Schutzbeschaltungen 737
10.5.7 Parallelbetrieb 738
10.5.8 Typische Ansteuerschaltungen 738
10.5.8.1 Elektrisch isolierte Ansteuerungen 738
10.5.8.2 Ansteuerung mit logischen Gattern 739
10.5.9 Synchrongleichrichter 740
10.6 IGBT 742
10.6.1 Allgemeines 742
10.6.2 Prinzipieller Aufbau 743
10.6.3 Technische Ausführungsformen 747
10.6.3.1 Punch-Through-IGBT 747
10.6.3.2 Non-Punch-Through-IGBT 749
10.6.3.3 Vergleich Punch-Through-IGBT – Non-Punch-Through-IGBT 751
10.6.3.4 FS-IGBT (Field-Stop-IGBT) 752
10.6.3.5 Trench-IGBT 753
10.6.4 Funktionsweise (Physikalische Grundlagen) 755
10.6.4.1 Einschaltvorgang 756
10.6.4.2 Ausschaltvorgang 758
10.6.5 Ersatzschaltbild 759
10.6.6 Schaltkreissymbole 759
10.6.7 Statisches Strom–Spannungs-Verhalten 761
10.6.7.1 Grundsätzliches 761
10.6.7.2 Durchlaßeigenschaften 763
10.6.8 Dynamisches Strom–Spannungs-Verhalten 765
10.6.8.1 Einschalten 766
10.6.8.2 Ausschalten 767
10.6.8.3 Schweifstrom 768
10.6.8.4 Millereffekt 769
10.6.9 Ein- und Ausschaltverluste (hartes Schalten) 770
10.6.9.1 Näherungsweise Berechnung 770
10.6.9.2 Kompromiß zwischen Durchlaßspannung und Ausschaltzeit 772
10.6.9.3 Beeinflussung der Ausschaltverluste durch eine negative Gate–Emitter-Spannung 773
10.6.9.4 Anforderungen an Ansteuerschaltungen 774
10.6.9.5 Schaltentlastungsnetzwerke für IGBTs 777
10.6.10 Schutz des IGBTs 789
10.6.10.1 Überspannung 790
10.6.10.2 Überstrom 790
10.6.11 Betriebsgrenzen 792
10.6.11.1 SOA (Safe Operating Area) 792
10.6.11.1.1 FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area) 794
10.6.11.1.2 RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area) 795
10.6.11.2 Latch-Up (Einrasten) 796
10.6.11.2.1 Statisches Latch-Up 796
10.6.11.2.2 Dynamisches Latch-Up 797
10.6.11.2.3 Verhinderung des Latch-Up 797
10.6.12 Parallelschaltbarkeit 797
10.6.12.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter, Bauteilselektion 798
10.6.12.2 Beschaltungsmaßnahmen 799
10.6.12.3 Layoutmaßnahmen 800
10.6.12.4 Einfluß unterschiedlicher Sperrschichttemperaturen 801
10.6.12.5 Herabsetzen der Nennbelastung (Derating) 802
10.6.13 Serienschaltbarkeit 802
10.6.13.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter 802
10.6.13.2 Beschaltungsmaßnahmen 803
10.6.13.2.1 Aktive Methoden der Spannungssymmetrierung 803
10.6.13.2.2 Master-Slave-Prinzip 805
10.6.13.2.3 Schaltzeitenkorrektur 805
10.6.13.2.4 Schlußfolgerungen 806
10.7 IGCT und Vergleich mit dem IGBT 806
10.7.1 IGCT 806
10.7.1.1 Einleitung 806
10.7.1.2 Aufbau des Wafers 807
10.7.1.2.1 Transparenter Emitter 809
10.7.1.2.2 Pufferzone 810
10.7.1.3 Funktionsweise 812
10.7.1.3.1 Einschaltvorgang 812
10.7.1.3.2 Ausschaltvorgang 815
10.7.1.4 Aufbau des Gehäuses mit Gatesteuerleitung 817
10.7.1.5 Vorgeschlagenes Symbol für die Schalt- und Stromlaufpläne 819
10.7.2 Vergleich zwischen IGCT (GTO) und IGBT 820
10.7.2.1 Vergleich von 3,3kV-Leistungshalbleiterschaltern 820
10.7.2.2 Ausfallswahrscheinlichkeit 821
10.7.2.3 Kosten 823
10.7.2.4 Zusammenfassung: Vorteile – Nachteile 824
10.7.3 Ausblick 824
10.8 MOS-Controlled Thyristor (MCT) 825
10.8.1 Funktionsweise des MCTs 825
10.8.2 Realisierung des MCTs 826
10.8.3 Zulässige Gatespannungs-Kurvenformen 827
10.8.3.1 Spezifikation der Gatespannungs-Kurvenform 828
10.8.3.2 Negative Amplitude, MCT eingeschaltet 828
10.8.3.3 Negative Spannungsflanke 828
10.8.3.4 Positive Amplitude 829
10.8.3.5 Positive Flanke 829
10.8.3.6 Derating 829
10.8.4 MCT-Ansteuerschaltungen 829
10.8.5 Einsatzgebiete des MCTs 832
10.9 Ansteuerschaltungen für MGDs 833
10.9.1 Einführung 833
10.9.1.1 Anwendungsgebiete für Treiber 833
10.9.1.2 MOSFETs und IGBTs 834
10.9.1.3 MCTs 835
10.9.2 Ein- und Ausschaltvorgang unter Einfluß des Gatewiderstandes 835
10.9.2.1 Gatewiderstand 835
10.9.2.2 Einschaltvorgang 840
10.9.2.3 Ausschaltvorgang 842
10.9.3 Low- und High-Side-Driving 846
10.9.3.1 Low-Side-Driving (Treiber) 846
10.9.3.2 High-Side-Driving (Treiber) 846
10.9.3.2.1 Getrennte Gateversorgung 848
10.9.3.2.2 Bootstrap-Verfahren 849
10.9.3.2.3 Ladungspumpe 851
10.9.3.2.4 Impulstransformator 855
10.9.3.2.5 Carrier Drive 857
10.9.4 Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Leistungskreis 858
10.9.4.1 Optische Isolation 858
10.9.4.2 Transformator 859
10.9.5 Ergänzende Details 865
10.9.5.1 du / dt- und di / dt-induziertes Einschalten 865
10.9.5.2 Unterspannungserkennung UVLO 866
10.9.5.3 Sense-Eingang 867
10.9.5.4 Sicherheitsausschaltung 871
10.9.5.5 Parallele Treiber 871
10.9.5.6 Überspannungsschutz und Snubbernetzwerke 872
10.9.5.7 Schaltungsentwurf mit Hilfe der Gate-Charge 873
10.9.6 Vergleiche von industriell erzeugten Treibern 879
10.9.6.1 Einzelchiptreiber 880
10.9.6.2 Treibermodule 882
10.10 Cool-MOS 883
10.10.1 Allgemeines 883
10.10.2 Aufbau 885
10.10.3 Optimiertes Schaltverhalten und reduzierte Kapazitäten 887
10.10.4 Neuartiger Aufbau von Netzteilen 890
10.11 Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh) 891
10.11.1 Static Induction Transistor (SIT) 891
10.11.1.1 Allgemeines 891
10.11.1.1.1 Langkanal-JFET 891
10.11.1.1.2 Kurzkanal-JFET = SIT (Überblick) 891
10.11.1.2 Aufbau 893
10.11.1.3 Funktionsdetails 893
10.11.1.4 Betriebsverhalten des SITs 896
10.11.2 Static Induction Thyristor (SITh) 896
10.11.2.1 Aufbau und Allgemeines 896
10.11.2.2 Betriebsverhalten 897
10.12 Trench-Elemente und MCD-Strukturen 898
10.12.1 Trench-IGBT 898
10.12.2 pn?n-Dioden 900
10.12.3 pn?n-Dioden mit MOS-Steuerköpfen 902
10.12.4 Trench-Diode nach dem MCD-Prinzip 906
10.12.5 Trench-Double-Zelle (TD-IGBT) 907
10.12.6 Trench-MOS-Thyristor-Zelle (TMCT) 908
10.13 Smart-Power-ICs 910
10.13.1 Isolationstechniken 910
10.13.1.1 Dielektrische Isolation 911
10.13.1.2 Selbstisolation (implizite Isolation) 911
10.13.1.3 Sperrschichtenisolation 911
10.13.2 Integrierte Leistungsbauelemente 912
10.13.2.1 Vertikal- und Horizontalstrukturen 912
10.13.2.2 Multipower-BCD 913
10.13.3 Schutzschaltungen 914
10.13.3.1 Übertemperatur 914
10.13.3.2 Kurzschlüsse 914
10.13.3.2.1 Kurzschluß des Ausganges gegen die Versorgung bzw. Masse 915
10.13.3.2.2 Kurzschluß der Versorgungsspannung 916
10.13.3.2.3 Kurzschluß der Last 916
10.13.3.2.4 Schutzmaßnahmen gegen Überstrom 916
10.13.3.3 Unterbrechungen 917
10.13.3.4 Verlustleistungsbegrenzung 918
10.13.4 Ansteuerschaltungen für Power-MOSFETs 919
10.13.4.1 Ansteuerschaltungen für Low-Side-Schalter 919
10.13.4.2 Ansteuerschaltungen für High-Side-Schalter 919
10.13.4.2.1 Bootstraptechnik 920
10.13.4.2.2 Ladungspumpe 921
10.13.5 Selbstdiagnoseeinrichtungen 921
10.13.5.1 Schnittstellen 922
10.13.5.1.1 Analoge Schnittstellen 922
10.13.5.1.2 Digitale Schnittstellen 922
10.13.5.1.3 CAN (Controller Area Network) 922
10.13.6 Anwendungen 923
10.13.6.1 TOPFET 923
10.13.6.1.1 ESD-Schutz 923
10.13.6.1.2 Überspannungsschutz 923
10.13.6.1.3 Übertemperaturausschaltung 924
10.13.6.1.4 Kurzschlußschutz 924
10.13.6.1.5 Gateansteuerung 924
10.13.6.1.6 Schaltgeschwindigkeit 924
10.13.6.2 TOPFET mit fünf Anschlüssen 925
10.13.6.3 HITFET 925
10.13.6.4 Super-Smart-Power-IC L9942 926
10.13.6.4.1 Leistungsteil 926
10.13.6.4.2 Mikrocontroller 926
10.13.6.4.3 Spannungsversorgung und Einsatzgebiet 926
10.14 Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen 927
10.14.1 Einleitung 927
10.14.2 IEGT (Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor) 928
10.14.2.1 Allgemeines 928
10.14.2.2 Aufbau und Wirkungsweise 928
10.14.3 CSTBT (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor) 930
10.14.3.1 Allgemeines 930
10.14.3.2 Aufbau und Wirkungsweise 930
10.14.4 n-MCT mit Pufferschichte und Anodenemitter-Kurzschlüssen 931
10.14.4.1 Allgemeines 931
10.14.4.2 Aufbau 932
10.14.4.2.1 Anodenstruktur 932
10.14.4.2.2 Kathodenstruktur 932
10.14.4.3 Charakteristische Eigenschaften 933
10.14.5 DG-MCT (Dual-Gate MOS-Controlled Thyristor) 933
10.14.5.1 Allgemeines 933
10.14.5.2 Aufbau und Wirkungsweise 934
10.14.6 IGTT (IGBT Mode Turn-Off Thyristor) 935
10.14.6.1 Allgemeines 935
10.14.6.2 Aufbau und Wirkungsweise 936
10.14.7 DGMOS der zweiten Generation (2nd-Generation Dual-Gate MOS Thyristor) 937
10.14.7.1 Allgemeines 937
10.14.7.2 Aufbau und Wirkungsweise 937
10.14.8 EST (Emitter-Switched Thyristor) 938
10.14.8.1 Allgemeines 938
10.14.8.2 Funktionsweise 939
10.14.9 BRT (Base-Resistance-Controlled Thyristor) 940
10.14.9.1 Allgemeines 940
10.14.9.2 Aufbau und Wirkungsweise 941
10.14.10 Überblick über die Feldeffekttransistoren und spezielle MOSFET-Transistoren 942
10.14.10.1 Allgemeines zu den Feldeffekttransistoren und deren Klassifikation 942
10.14.10.2 VMOS (V-groove MOS) 946
10.14.10.3 DMOS (Double-Diffused-MOS) 947
10.14.10.3.1 Allgemeines zum DMOS 947
10.14.10.3.2 Funktion und Wirkungsweise 948
10.14.10.4 LDMOS (Lateral-Double-Diffused-MOS) 949
10.14.10.5 UMOS (U-groove MOS) 950
10.14.11 BiCMOS (Bipolar CMOS) 950
10.14.12 Weitere Bauelementstrukturen und neue Entwicklungen 954
10.14.12.1 Weitere Strukturen 954
10.14.12.2 Neuere Entwicklungen 955
10.14.12.2.1 Neue Materialien – Siliziumkarbid 955
10.14.12.2.2 Neue Bauelementestrukturen 955
10.15 Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen 956
10.15.1 Allgemeines 956
10.15.2 IGBT – Kennwerte und Bezeichnungen 958
10.15.3 GTO – Kennwerte und Bezeichnungen 961
10.15.4 MOSFET – Kennwerte und Bezeichnungen 963
10.16 Literatur 966
11. Strukturen der Schaltnetzteile 973
11.1 Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung 973
11.1.1 Allgemeines 973
11.1.2 Überblick über Strukturen und Funktionen 974
11.1.2.1 Struktur eines Schaltnetzteiles 974
11.1.2.2 Resonanzwandler im Vergleich mit Rechteckwandlern 977
11.1.2.3 Strukturvergleich Schaltnetzteile mit linearen Netzteilen 980
11.1.3 Grundtopologien 985
11.1.3.1 DC–DC-Wandler ohne galvanische Trennung (sekundärseitig getastete Schaltnetzteile) 985
11.1.3.2 DC–DC-Wandler mit Potentialtrennung (primärseitig getastete Schaltnetzteile) 987
11.1.4 Arbeitsweisen (diskontinuierliche und kontinuierliche Drosselströme bzw. lückender und nichtlückender Betrieb) 990
11.1.4.1 Lückender Betrieb (= Dreieckbetrieb oder diskontinuierlicher Betrieb) 990
11.1.4.2 Nichtlückender Betrieb (= Trapezbetrieb oder kontinuierlicher Betrieb) 992
11.1.4.3 Allgemeine Prinzipien zur Schaltungsanalyse 993
11.1.5 DC–DC-Wandler 1. Ordnung 994
11.1.5.1 Buck-Konverter (Tiefsetzsteller) 994
11.1.5.2 Boost-Konverter (Hochsetzsteller) 1000
11.1.5.3 Buck-Boost-Konverter (Spannungsinverter) 1009
11.1.6 Weitere Strukturen 1013
11.1.6.1 C´uk-Konverter 1013
11.1.6.2 Weitere Strukturen höherer Ordnung 1020
11.2 Potentialgetrennte Wandler 1020
11.2.1 Eintaktschaltungen 1021
11.2.1.1 Sperrwandler (sowie Vergleich mit dem Boost-Wandler) 1021
11.2.1.1.1 Trapezbetrieb (nichtlückend), 1. und 2. Steuerungsgesetz sowie allgemeineDefinitionen der Steuerungsgesetze 1026
11.2.1.1.2 Grenzfall: Übergang vom Trapez- auf den nichtlückenden Dreieckbetrieb und Dimensionierung der Induktivitäten 1029
11.2.1.1.3 Dreieckbetrieb (lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz U2 = f1(I2,D) bzw. U2 = f2(D,U1) 1035
11.2.1.1.4 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien(1. Steuerungsgesetz U2 = f1(I2,D)) 1037
11.2.1.1.5 Steuerungskennlinien (3. Steuerungsgesetz D = f3(I2,U1)) 1038
11.2.1.1.7 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb beim Boostwandler und Vergleich mit dem Buck-Boost-Wandler 1045
11.2.1.1.8 Steuerungskennlinien (3. Steuerungsgesetz D = f3(I2,U1)) und Grenzkurven beim Boost-Wandler sowie Vergleich mit den Buck- und Buck-Boost-Konvertern 1046
11.2.1.2 Eintakt-Durchflußwandler 1049
11.2.1.2.1 Trapezbetrieb (= nichtlückender Betrieb) 1054
11.2.1.2.2 Dreieckbetrieb (= lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz (UNorm = f1Norm(INorm,D) und U2 = f2(D,U1)) 1056
11.2.1.2.3 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien UNorm(INorm,D) zum 1. Steuergesetz UNorm = f1Norm(INorm,D) 1060
11.2.1.2.4 Laständerung, Grenzkurve und Steuerungskennlinie D(ILa,Ui) (3. SteuerungsgesetzD = f3(I2,U1)) 1062
11.2.1.3 Asymmetrischer Halbbrücken-Durchflußwandler 1063
11.2.1.4 Doppel-Durchflußwandler 1064
11.2.2 Gegentaktschaltungen 1067
11.2.2.1 Parallelgespeister Gegentakt-Durchflußwandler 1067
11.2.2.2 Seriengespeiste Gegentakt-Durchflußwandler 1070
11.2.2.2.1 (Symmetrischer) Halbbrücken-Durchflußwandler 1070
11.2.2.2.2 Vollbrücken-Durchflußwandler 1071
11.2.2.3 Wandler mit eingeprägtem Eingangsstrom 1072
11.3 Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung 1072
11.3.1 Allgemeines 1072
11.3.2 Quasiresonanter Gegentaktkonverter 1074
11.3.2.1 Schaltungsberechnung 1074
11.3.2.2 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten ZCS-(Lee-)Konverter 1080
11.3.3 SEPIC(-Konverter) mit harter Schalttechnik 1083
11.3.3.1 Einführung 1083
11.3.3.2 Funktionsprinzip 1084
11.3.3.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe 1086
11.3.3.4 Mittelwerte und Steuerungsgesetz 1087
11.3.3.5 Schaltungsvariante 1088
11.3.4 Quasiresonanter SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik 1089
11.3.4.1 Einführung 1089
11.3.4.2 Funktionsprinzip der ZVS-Technik 1089
11.3.4.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe 1090
11.3.4.4 Steuerungsgesetz 1093
11.3.4.5 Genaue Ermittlung des Tastverhältnisses 1095
11.3.4.6 Schaltungsvarianten 1096
11.3.4.7 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik 1097
11.3.5 Zeta-Konverter mit harter Schalttechnik 1098
11.3.5.1 Einführung 1098
11.3.5.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe 1099
11.3.5.3 Mittelwerte und Steuerungsgesetz 1101
11.3.6 Quasiresonanter Zeta-Konverter mit ZVS-Technik 1103
11.3.6.1 Einführung 1103
11.3.6.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe 1103
11.3.6.3 Steuerungsgesetz 1108
11.3.6.4 Schaltungsvarianten 1109
11.3.6.5 u-Zi-Diagramm für einen quasiresonanten Zeta-Konverter 1109
11.4 Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen 1111
11.4.1 Tabellen und Tafeln zu den Strukturen aus 11.1 bis 11.3 1111
11.4.2 Weitere Konvertertopologien erster Ordnung 1117
11.4.2.1 Boost-Konverter mit Potentialtrennung 1117
11.4.2.2 SMART-Konverter 1117
11.4.3 Konvertertopologien höherer Ordnung (Vergleich) 1120
11.4.3.1 Allgemeines 1120
11.4.3.2 C´uk-Konverter 1121
11.4.3.3 SEPIC(-Konverter) 1123
11.4.3.4 Zeta-Konverter 1125
11.4.3.5 Doppelinverter 1129
11.4.3.6 Buck / Boost-Konverter mit einem induktiven Bauelement und zwei Schaltern 1131
11.4.3.7 Zusammenfassung 1132
11.5 Resonante, Quasi- und Pseudoresonante Schaltungen 1133
11.5.1 Allgemeines 1133
11.5.2 Typische Beispiele für ZCS 1135
11.5.2.1 Allgemeines 1135
11.5.2.2 Anwendungsbeispiel: Quasiresonante Tiefsetzstellerstruktur 1136
11.5.2.3 Pseudoresonante ZCS-Anwendung 1140
11.5.3 Typische Beispiele für ZVS 1145
11.5.3.1 Allgemeines 1145
11.5.3.2 Hochsetzsteller mit praktisch verlustloser Ein- und verlustarmer Ausschaltung des Hauptschalters (pseudoresonantes ZVS) 1146
11.5.3.3 Hochsetzsteller mit pseudoresonantem ZVS (praktisch verlustlosemEinschalten) und verlustarmer Ausschaltung von Haupt- und Hilfsschalter 1150
11.5.4 Allgemeines zu Pseudoresonanz (Soft Switching) und Active Clamping 1155
11.5.5 Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler mit galvanischer Trennung 1158
11.5.5.1 Funktionsweise 1161
11.5.5.2 Spannungsbelastung der FETs 1165
11.5.5.3 Dynamisches Verhalten 1170
11.5.5.4 Stationärer Betrieb 1172
11.5.5.5 Beispiele für zeitliche Verläufe 1174
11.5.5.6 Vorteile von Soft Switching (und Active Clamping?) 1179
11.5.5.7 Nachteile von Soft Switching (und Active Clamping) 1181
11.5.6 Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler ohne galvanische Trennung 1182
11.5.6.1 Allgemeines 1182
11.5.6.2 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Hochsetzsteller 1183
11.5.6.2.1 Ablauf einer Schaltperiode 1183
11.5.6.2.2 Strom- und Spannungsverläufe während der Netz- und Schaltperiode 1188
11.5.6.2.3 Vorteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz) 1189
11.5.6.2.4 Nachteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz) 1189
11.5.6.2.5 Vereinfachte (passive) Funktionsweise für Hochsetzsteller (passives Soft Switching) 1189
11.5.6.2.6 Ablauf einer Schaltperiode 1190
11.5.6.2.7 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode 1192
11.5.6.2.8 Vorteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings 1192
11.5.6.2.9 Nachteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings 1193
11.5.6.3 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Tiefsetzsteller 1193
11.5.6.3.1 Ablauf einer Schaltperiode 1194
11.5.6.3.2 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode 1197
11.5.6.3.3 Vorteile 1197
11.5.6.3.4 Nachteile 1198
11.5.7 Zusammenfassung 1198
11.6 Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik 1200
11.6.1 Einleitung 1200
11.6.2 Aktive Bauelemente 1201
11.6.2.1 Leistungshalbleiter (Transistoren) 1201
11.6.2.2 Steuerbausteine 1210
11.6.2.3 ASIC-Entwicklung 1213
11.6.2.3.1 Allgemeines 1213
11.6.2.3.2 Beispiel eines primärseitigen ASICs 1215
11.6.2.3.3 Beispiel eines sekundärseitigen ASICs 1218
11.6.2.3.4 Regelungsmethoden 1219
11.6.3 Passive Bauelemente 1221
11.6.3.1 Übertrager 1221
11.6.3.2 Drosseln (Speicherdrosseln) 1231
11.6.3.3 Kondensatoren 1233
11.6.4 Regler 1234
11.6.5 Fertigungsaspekte 1236
11.6.6 Spezielle Anforderungen auf Grund von Normenänderungen 1237
11.6.7 Weitere Ausblicke und Trends 1238
11.7 Praktische Aspekte 1239
11.7.1 Einfluß der Wicklungskapazität auf Spannungsform und Schaltverhalten 1239
11.7.1.1 Einfluß der Schaltungsanordnung auf die effektive Wicklungskapazität 1239
11.7.1.2 Kuppeleffekt 1241
11.7.2 Auswirkungen von Streuinduktivitäten in Schaltnetzteilen 1245
11.7.2.1 Allgemeines 1245
11.7.2.2 Schaltungsbeispiel Durchflußwandler 1246
11.7.2.2.1 Betrieb ohne Streuinduktivität 1247
11.7.2.2.2 Effekte der Streuinduktivität bei einfachem Ausgang 1248
11.7.2.2.3 Auswirkungen auf die Kreuzregelung bei mehreren Ausgängen 1250
11.7.3 Verluste bei nichtidealen Schaltnetzteilen 1260
11.8 Literatur 1262
12. Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen 1265
12.1 Regelungskonzepte für Schaltnetzteile 1265
12.1.1 Grundlagen 1265
12.1.2 Regelung von Schaltnetzteilen – Überblick 1269
12.1.2.1 Allgemeines 1269
12.1.2.2 Direkte Regelung des Tastverhältnisses D (DDC) 1270
12.1.2.3 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) 1272
12.1.2.4 Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC) und Slope-Kompensation 1274
12.1.2.4.1 Allgemeines zur Stromregelung 1274
12.1.2.4.2 Spezielle Probleme der Spitzenwert-Stromregelung 1281
12.1.2.4.3 Subharmonische Schwingneigung 1289
12.1.2.4.4 Strommittelwerte, Stromrippel und Topologievergleich 1295
12.1.2.5 Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC) 1300
12.1.2.6 Vergleich der Stabilität von Spitzenwert- und Mittelwert-Stromregelung 1303
12.1.3 Regelungskonzepte am Beispiel des Buck-Konverters im nichtlückenden Betrieb 1304
12.1.3.1 Allgemeines 1304
12.1.3.2 Direkte Regelung des Tastverhältnisses D (DDC) 1308
12.1.3.2.1 Der Regelkreis und seine Komponenten 1308
12.1.3.2.2 Regelschleife und Regelkreis 1315
12.1.3.2.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers) 1317
12.1.3.3 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) 1326
12.1.3.3.1 Der Regelkreis und seine Komponenten 1326
12.1.3.3.2 Regelschleife und Regelkreis 1328
12.1.3.3.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers) 1329
12.1.3.4 Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC) 1333
12.1.3.4.1 Der Regelkreis und seine Komponenten 1333
12.1.3.4.2 Regelschleife und Regelkreis 1339
12.1.3.4.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers) 1340
12.1.3.5 Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC) 1346
12.1.3.5.1 Der innere (Strom-)Regelkreis und seine Komponenten 1346
12.1.3.5.2 Innere Regelschleife und Stromregelkreis 1349
12.1.3.5.3 Zahlenbeispiel 1356
12.1.3.5.4 Äußerer (Spannungs-)Regelkreis und seine Komponenten 1362
12.1.3.5.5 Äußere Regelschleife und Spannungsregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis 1365
12.1.3.5.6 Zahlenbeispiel [Dimensionierung des (äußeren) Spannungsreglers] 1368
12.1.4 Übertragungsfunktionen – Überblick 1372
12.1.4.1 Direkte Tastverhältnisregelung 1373
12.1.4.1.1 Nichtlückender (= kontinuierlicher) Strom 1373
12.1.4.1.2 Lückender (= diskontinuierlicher) Strom 1373
12.1.4.2 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen 1373
12.1.4.2.1 Nichtlückender Strom 1373
12.1.4.2.2 Lückender Strom 1374
12.1.4.3 Stromregelung 1374
12.1.4.3.1 Spitzenwert-Stromregelung 1374
12.1.4.3.2 Mittelwert-Stromregelung 1376
12.1.4.4 Regler-ICs (SNT-ICs) 1379
12.1.5 Anhang 1379
12.1.5.1 MATLAB 1379
12.1.5.2 ANA 1381
12.2 Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile 1381
12.2.1 Allgemeines 1381
12.2.2 Übertragungsfunktionen des Buck-Konverters 1382
12.2.2.1 Kontinuierlicher Betrieb 1382
12.2.2.2 Diskontinuierlicher Betrieb 1386
12.2.2.2.1 Gleichgrößen (Gleichungen des statischen Zustandes) 1386
12.2.2.2.2 Wechselgrößen (Gleichungen für stationäre Vorgänge) 1390
12.2.3 Ersatzschaltbild und stationäre Übertragungsfunktion des SEPIC(-Konverters) für nichtlückenden Betrieb 1398
12.2.4 Übertragungsfunktionen der sechs Grundtypen 1403
12.2.5 Anmerkungen zu Tafel 12.1 1407
12.2.5.1 Allgemeines 1407
12.2.5.2 Prinzipielles zur Formulierung von Steuerungsgesetzen 1411
12.2.5.3 Ergänzende Erläuterungen zu den Regelungsmethoden 1411
12.2.5.3.1 Direct Duty Cycle Control (DDC) 1411
12.2.5.3.2 Voltage Feedforward Control (VFC) 1411
12.2.5.3.3 Current Mode Control (CMC, Stromregelung) 1412
12.2.5.3.4 Stromregelung im lückenden Betrieb am Beispiel des Buck-Boost-Konverters (mit Vergleich zu Buck- und Boost-Konverter) 1413
12.2.5.3.5 Mittelwert-Stromregelung im nichtlückenden Betrieb für den Buck-Boost-Konverter 1421
12.2.6 Zusammenfassung 1424
12.3 Boost-Konverter – Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen 1425
12.3.1 Nichtlückender Betrieb 1425
12.3.1.1 Statisches und stationäres Verhalten 1425
12.3.1.2 Kleinsignalübertragungsfunktionen (stationäres Verhalten) 1429
12.3.1.3 Schaltungssimulation 1435
12.3.1.4 Vergleich der Kleinsignalübertragungsfunktionen mit der Literatur 1437
12.3.1.5 Linearisierung der statischen Steuerkennlinie 1447
12.3.1.6 Mathematische Analyse der Übertragungsfunktion GU2D(s) 1451
12.3.1.7 Regelung des Boost-Konverters 1454
12.3.1.7.1 Direkte Regelung des Tastverhältnisses 1456
12.3.1.7.2 Mittelwert-Stromregelung für nichtlückenden Betrieb 1466
12.3.1.7.3 Eingangsstromregelung (beim Boost-Konverter, Anwendung für PFC) 1471
12.3.2 Lückender Betrieb 1473
12.3.2.1 Kleinsignalübertragungsfunktionen 1473
12.3.2.2 Mittelwert-Stromregelung für den diskontinuierlichen Betrieb 1483
12.3.3 Betriebsbereiche 1486
12.4 Buck-Boost (Flyback-)Konverter – Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte 1489
12.4.1 Allgemeines 1489
12.4.2 Regelungskonzepte und Übertragungsfunktionen (für nichtlückenden Betrieb) am Beispiel des Buck-Boost-Konverters 1491
12.4.2.1 Übertragungsfunktionen für die direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC) 1492
12.4.2.2 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC) 1495
12.4.2.3 Übertragungsfunktionen für die Stromregelung 1495
12.4.2.3.1 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Ausgangsstromes 1496
12.4.2.3.2 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Eingangsstromes (beim Buck-Boost-Konverter, Anwendung für PFC) 1497
12.4.3 Regler 1499
12.4.3.1 PT1-Regler („Typ 1“) 1499
12.4.3.2 PD2T3-Regler („Typ 2“) 1501
12.4.3.3 Anwendungsbereiche der beiden Reglerstrukturen 1506
12.4.3.4 Stromregelung (= Current Mode Control, CMC) – Ergänzungen 1507
12.4.3.4.1 Slope-Kompensation 1507
12.4.3.4.2 Mittelwert-(MW-) und Spitzenwert-(SW-)Stromregelung 1508
12.4.4 Dimensionierungsbeispiele 1508
12.4.4.1 Nichtlückender Betrieb, direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC) 1509
12.4.4.1.1 Regelstrecke 1509
12.4.4.1.2 Reglerdimensionierung 1513
12.4.4.2 Lückender Betrieb, Stromregelung 1517
12.4.4.2.1 Regelstrecke 1519
12.4.4.2.2 Reglerdimensionierung 1522
12.5 Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen 1523
12.5.1 Funktion von SEPIC-Konvertern mit gekoppelten Spulen 1523
12.5.1.1 Schaltung 1523
12.5.1.2 Funktionsweise 1524
12.5.1.3 Wirkung der gekoppelten Spulen 1525
12.5.1.4 Prinzipielles zur Regelung 1526
12.5.1.5 Messung des Schalterstromes 1527
12.5.1.6 Eingangsstrombegrenzung 1527
12.5.1.7 Zero-Voltage Transition 1529
12.5.1.7.1 Ausschaltverluste 1529
12.5.1.7.2 Einschaltverluste 1529
12.5.1.7.3 Reduktion der Verluste 1529
12.5.2 Mögliche Reglerauslegung 1530
12.5.2.1 SEPIC-Übertragungsfunktion 1530
12.5.2.2 Stromregler 1531
12.5.2.3 Überlagerter Spannungsregler 1540
12.5.2.4 Direkte Spannungsregelung 1541
12.5.3 Analyse der SEPIC(-Konverter)-Stromregelschleife 1541
12.6 Regelung von Schaltnetzteilen – Ergänzungen und Beispiele 1555
12.6.1 Beispiele einfacher Übertragungsfunktionen und Bodediagramme 1556
12.6.1.1 Grundsätzliches zur Bezeichnungsweise 1556
12.6.1.2 Schaltkreise erster Ordnung 1558
12.6.1.2.1 Tiefpaß (Polstelle in der linken Halbebene) 1558
12.6.1.2.2 PD-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene) 1559
12.6.1.2.3 PI-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene) 1559
12.6.1.2.4 Nullstellen in der rechten Halbebene (RHP-Zero) 1560
12.6.1.3 Schaltkreise zweiter Ordnung 1564
12.6.2 Analyse der Stabilität 1569
12.6.2.1 Allgemeines 1569
12.6.2.2 Regelung 1569
12.6.2.3 Übertragungsfunktion 1570
12.6.2.4 Stabilität 1570
12.6.3 Beispiele für Übertragungsfunktionen und Regelung von Schaltnetzteilen 1571
12.6.3.1 Einführung 1571
12.6.3.2 Leistungskreis und Filter (T3(s)) 1571
12.6.3.2.1 Allgemeines 1571
12.6.3.2.2 Buck-Konverter im Trapezmodus 1575
12.6.3.2.3 Buck-Boost-Konverter im Dreieckmodus 1575
12.6.3.3 PWM-Modulator (T2(s)) 1578
12.6.3.3.1 Modulator mit direkter Regelung des Tastverhältnisses 1578
12.6.3.3.2 Modulator mit Tastverhältnisregelung und Vorsteuerung (Aufschaltung der Eingangsspannung, Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen) 1578
12.6.3.3.3 Modulator mit unterlagerter Stromregelung 1579
12.6.3.4 Regler (T1(s)) 1583
12.6.3.4.1 Strukturen 1583
12.6.3.4.2 Anwendungsbereiche 1587
12.6.3.4.3 Maximale Durchtrittsfrequenz fD,max 1589
12.6.3.5 Rechenbeispiele 1596
12.6.3.5.1 Buck-Boost-Konverter im lückenden Betrieb 1596
12.6.3.5.2 Buck-Konverter im nichtlückenden Betrieb 1599
12.6.4 Betragsanschmiegung – Reglerauslegung nach dem Betragsoptimum und dem Symmetrischen Optimum 1600
12.6.4.1 Allgemeines 1600
12.6.4.2 Optimierungsgleichungen 1602
12.6.4.3 Betragsoptimum 1603
12.6.4.4 Symmetrisches Optimum 1607
12.6.5 Störungsrechnung 1611
12.7 Steuer- und Regelschaltungen für Schaltnetzteile (SNTs) 1613
12.7.1 Grundlagen 1613
12.7.1.1 Steuer- und Regelschaltung auf der Primärseite 1614
12.7.1.1.1 Durchflußwandler 1614
12.7.1.1.2 Sperrwandler 1615
12.7.1.1.3 Übertragung der Ausgangsspannung mit einem Hilfswandler 1615
12.7.1.2 Steuer- und Regelschaltung auf der Sekundärseite 1617
12.7.1.3 Aufgeteilte Steuer- und Regelschaltung 1618
12.7.2 Die integrierten Steuerbausteine der Familien TDA 47xx und TDA 49xx 1620
12.7.2.1 Integrierte Steuerschaltungen der Reihe TDA 47xx 1620
12.7.2.1.1 Allgemeines 1620
12.7.2.1.2 Schaltungsbeschreibung 1621
12.7.2.1.3 Impulsdiagramm und Erklärung der Zeitverläufe 1625
12.7.2.1.4 Dimensionierung der IC-Beschaltung 1629
12.7.2.2 Anwendungsbeispiel eines TDA 4718 1632
12.7.2.3 Anwendungen des Steuer-ICs TDA 4718 zur Stromregelung 1633
12.7.2.4 Integrierte Steuerschaltung TDA 49xx 1635
12.8 Neuere Regelungs-ICs für Schaltnetzteile 1635
12.8.1 Entwicklungsgeschichte 1635
12.8.2 Regelung mittels Voltage Mode Control 1636
12.8.3 Regelung von Schaltnetzteilen mittels Spitzenwert-Stromregelung 1643
12.8.4 Beschreibung des UC3842 1644
12.8.5 Der verbesserte Baustein UCC3800 1650
12.8.6 Bauteile für Mittelwert-Stromregelung und PFC 1653
12.9 Praktische Aspekte – Verbesserung der Kreuzregelung 1653
12.9.1 Einleitung 1653
12.9.2 Schaltungsanalyse mit unabhängigen Spulen 1654
12.9.3 Verwendung gekoppelter Filterspulen 1655
12.9.3.1 Wirkungsprinzip 1655
12.9.3.2 Vorteile der Kopplung 1663
12.9.3.3 Analyse mit äquivalentem Schaltkreis 1664
12.9.3.4 Steuerung des Stromrippels 1666
12.9.3.5 Schließen der Regelschleife 1667
12.10 Literatur 1667
13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen 1701
13.1 Gleichstromsteller 1701
13.1.1 MGD/GTO-Gleichstromsteller – Allgemeines 1701
13.1.2 Beschaltungen für MGDs /GTOs in Gleichstromstellerschaltungen 1702
13.1.2.1 Standard-RCD-Beschaltung 1703
13.1.2.2 Verlustarme LCD-Beschaltung 1709
13.2 Wechselrichter 1720
13.2.1 Allgemeines 1720
13.2.2 Beschaltung von Ventilen in Wechselrichterschaltungen 1721
13.2.2.1 Wechselrichter mit RCD-Beschaltung 1722
13.2.2.1.1 Ausschalten eines Ventils 1723
13.2.2.1.2 Einschalten eines Ventils 1725
13.2.2.2 Symmetrische Wechselrichterbeschaltung (nach McMurray) 1728
13.2.2.3 Unsymmetrische Wechselrichterbeschaltung 1732
13.3 Zusammenfassung 1741
13.4 Literatur 1741
14. Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen 1743
14.1 Allgemeines 1743
14.2 Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen 1744
14.2.1 Leistungskreise 1744
14.2.1.1 Einführung 1744
14.2.1.2 Gleichrichter mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (Boost-Konverter) 1748
14.2.1.2.1 Hochsetzsteller ohne Potentialtrennung 1748
14.2.1.3 Nachgeschalteter Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) 1750
14.2.1.4 Nachgeschalteter Spannungsinverter (Buck-Boost-Konverter) 1753
14.2.2 Regelungskonzepte für einphasige netzrückwirkungsarme Gleichrichterstrukturen 1757
14.2.2.1 Bestimmung der Einschaltdauer mit Hilfe eines Rampengenerators unddes Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze) 1757
14.2.2.2 Bestimmung der Einschaltdauer über Spitzenwert-Stromregelung unddes Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze) 1763
14.2.2.3 Bestimmung der Einschaltdauer durch Mittelwert-Stromregelung unddes Einschaltzeitpunktes über feste Taktperiode (nichtlückender Betrieb) 1765
14.3 Dreiphasige (Puls-)Gleichrichterschaltungen mit geringen Netzrückwirkungen 1778
14.3.1 Übersicht 1778
14.3.1.1 Diodenbrückenschaltung mit (auf Gleichstromseite) nachgeschaltetem Hochsetzsteller 1779
14.3.1.2 Diodenbrücke und Hochsetzstellerstruktur mit Induktivitäten auf der Wechselstromseite 1780
14.3.1.3 Hochsetzstellerstruktur mit sechs abschaltbaren Leistungshalbleitern(mit Energierückspeisung) 1780
14.3.1.4 Hochsetzstellerstruktur mit drei netzseitigen Induktivitäten und dreibidirektionalen abschaltbaren Halbleiterschaltern (ohne Energierückspeisung) 1781
14.3.2 Genauere Beschreibung der Leistungskreise und Steuerungen 1782
14.3.2.1 Diodenbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (auf Gleichstromseite) 1782
14.3.2.2 Diodenbrückenschaltung und Hochsetzsteller mit netzseitigen Induktivitäten 1785
14.3.2.3 Struktur mit drei bzw. sechs (abschaltbaren) Leistungsschaltern 1789
14.4 Vienna Rectifier 1790
14.4.1 Vienna Rectifier I 1791
14.4.2 Vienna Rectifier II 1802
14.4.3 Zusammenfassung 1821
14.5 Analyse der dreiphasigen AC–DC-Pulsumrichter –Raumzeigerdarstellungen, Grund- und Oberschwingungen 1822
14.5.1 Allgemeines 1822
14.5.2 Umrichterspannung – makroskopische Betrachtung 1823
14.5.3 Systembeschreibung über Raumzeiger 1827
14.5.4 Umrichterspannung – mikroskopische Betrachtung 1829
14.5.5 Ausgangsspannung und Oberschwingungen bei Pulsbetrieb 1830
14.5.6 Aufspaltung des Freilaufzustandes 1835
14.5.7 Erhöhung des Aussteuerbereiches 1840
14.5.8 Raumzeigermodulation 1844
14.5.9 Raumzeiger für Dreiniveausysteme 1850
14.6 Sieb- und Gleichrichterschaltungen 1854
14.6.1 Gleichrichterschaltungen 1854
14.6.1.1 Grundtypen von Gleichrichterschaltungen 1854
14.6.1.1.1 Halbwellengleichrichter (Einweggleichrichter) 1854
14.6.1.1.2 Zweiweggleichrichter 1856
14.6.1.1.3 Brückengleichrichter 1856
14.6.2 Siebschaltungen – Allgemeines 1858
14.6.2.1 Strom- und Spannungskomponenten 1858
14.6.2.2 Grundfrequenzen der Brummgrößen 1859
14.6.2.3 Berechnungsgrundlagen für die Brummspannung 1860
14.6.2.4 Frequenzkomponenten der Brummspannung 1861
14.6.2.5 Kenngrößen von Siebschaltungen 1861
14.6.2.6 Vierpoleigenschaften 1862
14.6.2.7 Siebschaltungen bei zeitlich wechselnder Last 1864
14.6.3 Siebschaltungen – Spezielle Ausführungsformen 1864
14.6.3.1 Tiefpaß-L–C-Ketten 1864
14.6.3.2 L–C-Siebketten-Dimensionierung 1866
14.6.3.3 Tiefpaß-R–C-Ketten 1870
14.6.3.4 Frequenzsperren 1871
14.6.3.5 R–C-Frequenzsperren (Doppel-T-Glieder) 1873
14.6.3.6 Elektronische (aktive) Filter 1874
14.7 Methoden für die Stromrippelminimierung 1881
14.7.1 C´uk-Konverter mit gekoppelten Spulen 1881
14.7.1.1 Umformung der Struktur 1881
14.7.1.2 Filterwirkung und Rippelunterdrückung 1884
14.7.1.3 Erklärung der Rippelunterdrückung anhand des Superpositionsprinzips 1885
14.7.2 Hochsetzsteller mit reduziertem Eingangsstromrippel 1886
14.7.2.1 Schaltkreisanalyse 1886
14.7.2.2 Vor- und Nachteile der Realisierungsvarianten eines Hochsetzstellers mit reduziertem Rippel 1888
14.7.3 ?uk-Konverter mit reduziertem Rippel ohne gekoppelte Spulen 1889
14.7.3.1 ?uk-Konvertertopologien „ohne“ Stromrippel 1889
14.7.3.2 Einfluß eines Spannungsrippels am Koppelkondensator auf den Stromrippel 1889
14.7.3.3 Vor- und Nachteile der ?uk-Konverter mit reduziertem Stromrippel 1893
14.7.4 Buck- und Boostkonverter mit integriertem Filter 1893
14.7.5 SEPIC(-Konverter) mit reduziertem Eingangsstromrippel 1894
14.8 Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen 1897
14.9 Literatur 1900
15. Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele 1905
15.1 Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung 1905
15.1.1 Allgemeines und Anwendungsgebiete 1905
15.1.2 Kernmaterialien und Kernformen 1905
15.1.2.1 Allgemeines 1905
15.1.2.2 Formen des Magnetismus 1906
15.1.2.2.1 Ferromagnetische Metalle 1906
15.1.2.2.2 Diamagnetische Materialien 1908
15.1.2.2.3 Paramagnetische Materialien 1908
15.1.2.2.4 Antiferromagnetismus 1908
15.1.2.2.5 Ferrimagnetismus 1908
15.1.2.2.6 Metamagnetismus 1908
15.1.2.3 Materialstrukturen und Kerntypen 1909
15.1.2.3.1 Kristalline und amorphe Metalle (Verbindungen) 1909
15.1.2.3.2 Ferritkerne 1909
15.1.2.3.3 Pulverkerne 1910
15.1.2.3.4 Eisenkerne 1911
15.1.2.4 Zusammenfassung 1911
15.1.3 Isolier-, Verguß- und Lötwerkstoffe 1911
15.1.4 Wickeldrähte für Transformator- und Spulenwicklungen 1914
15.1.5 Dimensionierung von Transformatoren und weiteren Bauelementen 1914
15.1.5.1 Beispiel: Dimensionierung eines 45 W-Sperrwandlers 1914
15.1.5.1.1 Grundlegende Bemerkungen zur Schaltung 1915
15.1.5.1.2 Betriebsart 1915
15.1.5.1.3 Festlegung des Übersetzungsverhältnisses 1916
15.1.5.1.4 Berechnung der Hauptinduktivität 1918
15.1.5.1.5 Transformatorberechnung 1921
15.1.5.1.6 Transistorspitzenstrom 1933
15.1.5.1.7 Tastverhältnis 1934
15.1.5.1.8 Diodenspitzenstrom 1935
15.1.5.1.9 Leitverluste bei Bipolartransistoren 1935
15.1.5.1.10 Leitverluste bei MOS-Transistoren 1936
15.1.5.1.11 Diodenverluste 1937
15.1.5.1.12 Ausgangskondensator 1941
15.1.5.2 Beispiel: Dimensionierung eines Durchflußwandlers 1943
15.1.5.2.1 Dimensionierung von Gleichrichter und Siebkondensator 1943
15.1.5.2.2 Versorgung der Steuerschaltung 1945
15.1.5.2.3 Dimensionierung der Steuerschaltung 1945
15.1.5.2.4 Unter- und Überspannungsüberwachung 1948
15.1.5.2.5 Auswahl und Berechnung des Transformators 1951
15.1.5.2.6 Berechnung der Drossel 1957
15.1.5.2.7 Ausgangskondensator 1959
15.1.5.3 Drahttabellen (AWG) 1962
15.1.6 Stromverdrängung in Leitern (Skin- und Proximityeffekt) 1965
15.1.7 Anwendung der Lagenisolation und spezielle Bauformen 1966
15.1.8 Aktive Klemmschaltungen 1969
15.1.9 Spulen 1969
15.2 Skin- und Proximityeffekte in Transformatorwicklungen 1971
15.2.1 Skineffekt 1971
15.2.2 Proximityeffekt (Nähewirkung) 1975
15.2.2.1 Doppelleitung 1975
15.2.2.2 Mehrlagige Wicklung 1977
15.2.2.2.1 Verluste bei Folien-(Flachdraht-)Wicklungen (rechteckige Leiter) 1977
15.2.2.2.2 Äquivalenzen zwischen Rund- und Flachdraht 1988
15.2.2.2.3 Verluste bei Runddrahtwicklungen 1991
15.2.2.2.4 Verluste bei nichtsinusförmigen Strömen 1991
15.3 Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste 1995
15.3.1 Ferrite und Bauformen (Beispiele) 1995
15.3.2 Minimierung der Verluste von Schaltnetzteiltransformatoren 2000
15.3.2.1 Spannungsgleichung 2000
15.3.2.2 Leistungsgleichung 2002
15.3.2.3 Wicklungsverluste 2003
15.3.2.4 Kernverluste 2004
15.3.2.5 Minimierung der Verluste 2004
15.4 Leistungsübertrager und Spulen – Entwurf und Dimensionierung 2006
15.4.1 Magnetische Kreise für Energieübertragung und Isolation 2006
15.4.1.1 Allgemeines 2006
15.4.1.2 Bestimmung der Schwankungsbereiche der magnetischen Induktion 2009
15.4.1.3 Bestimmung der Kerngröße 2010
15.4.1.4 Berechnung der Windungszahlen 2015
15.4.2 Magnetische Kreise für Anwendungen mit Gleichstromvormagnetisierun bzw. zur Energiezwischenspeicherung 2017
15.4.2.1 Auswahl des Kernmaterials 2017
15.4.2.2 Bestimmung der maximalen Flußdichte 2019
15.4.2.3 Bestimmung der Kerngröße 2019
15.4.2.4 Berechnung der Windungszahl 2021
15.4.2.5 Berechnung des Luftspaltes 2021
15.4.3 Hinweise zum Entwurf von Wicklungen 2023
15.4.3.1 Allgemeines 2023
15.4.3.2 Transformatoren mit Teilwindungen 2025
15.4.3.2.1 Notwendigkeit von Teilwindungen 2025
15.4.3.2.2 Realisierung von Teilwindungen 2026
15.5 Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten 2032
15.5.1 Allgemeines 2032
15.5.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes 2032
15.5.3 Berechnung der Streuinduktivität bei konzentrischen Spulen 2034
15.5.3.1 Grundsätzliches 2034
15.5.3.2 Berechnung auf Basis der magnetischen Energiedichte 2039
15.5.3.3 Berechnung über den Fluß 2040
15.5.3.4 Verschachtelte Wicklungen 2041
15.5.4 Ringkern und Ferritperle 2042
15.5.5 Beziehung zwischen Kernparametern, Luftspaltlängen und AL-Werten 2044
15.6 Kondensatoren 2045
15.6.1 Grundsätzliches zum Aufbau 2045
15.6.2 Auswahlkriterien nach Anwendung 2048
15.6.3 Zusammenschalten mehrerer Kondensatoren 2050
15.6.4 Typische Kennlinien und ihre Bedeutung 2051
15.7 Magnetische Materialien und Kondensatoren – Begriffe 2056
15.7.1 Magnetbauteile 2056
15.7.1.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen 2057
15.7.1.2 Allgemeine Bemerkungen 2073
15.7.1.2.1 Ferromagnetismus – Weißsche Bezirke 2073
15.7.1.2.2 Transformatoren (Übertrager) 2074
15.7.1.2.3 Drosseln – Spulen – Induktivitäten 2074
15.7.1.2.4 Kerne für induktive Sensoren 2074
15.7.1.2.5 Transformatorkernauswahl für Leistungsanwendungen 2075
15.7.1.2.6 Kernmaterialien 2075
15.7.1.2.7 Kernbezeichnungen 2077
15.7.2 Kondensatoren 2078
15.7.2.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen 2078
15.7.2.2 Neue Entwicklungen: Superkondensatoren 2079
15.7.2.2.1 Aufbau 2080
15.7.2.2.2 Kenngrößen 2080
15.7.2.2.3 Typische Kennwerte 2081
15.7.2.2.4 Anwendungen – Einsatzmöglichkeiten 2081
15.7.2.3 Weiterführende Literatur 2082
15.8 Literatur 2082
Anhang 15A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren C und Ki sowie Rhombusdiagramm 2085
15A.1 Berechnungsgrundlagen 2085
15A.2 (Charakteristische) Faktoren für Transformatoren für typische Schaltungen 2091
15A.2.1 Eintaktdurchflußwandler 2091
15A.2.2 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung 2093
15A.2.3 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung 2094
15A.2.4 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung 2095
15A.2.5 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung 2097
15A.2.6 Sperrwandler 2098
15A.3 Ableitungen der Transformatorgleichungen 2099
15A.3.1 Sperrwandler 2099
15A.3.2 Durchflußwandler und verwandte Strukturen 2103
15A.4 Rhombusdiagramm 2105
16. Spezielle Methoden und Anwendungen 2121
16.1 Überblick und typische Beispiele 2121
16.1.1 Allgemeines 2121
16.1.2 Stromversorgungen für höhere Leistungen 2122
16.1.2.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) 2122
16.1.2.2 Pulsgleichrichter bzw. -umrichter 2123
16.1.3 Erzeugung von Wechselspannungen mit optimiertem Oberschwingungsgehalt 2124
16.1.4 Antriebstechnik 2128
16.1.4.1 Gleichstromantriebe 2128
16.1.4.1.1 DC-Motor im Zwei- und Vierquadrantenbetrieb 2128
16.1.4.1.2 Feldstromversorgung von Gleichstrommaschinen 2130
16.1.4.2 Wechselstromantriebe 2130
16.1.5 Schaltentlastung und Erzeugung von Gleichspannungen 2133
16.1.5.1 Allgemeines 2133
16.1.5.2 Gleichspannungs-(DC–DC-)Konverter mit Schaltentlastung 2134
16.1.6 Verbesserung des Schaltverhaltens 2139
16.1.6.1 Allgemeines 2139
16.1.6.2 Hartes Schalten 2140
16.1.6.3 ZVS 2141
16.1.6.4 ZCS 2142
16.1.6.5 Einfluß von Streukapazitäten und -induktivitäten 2143
16.1.7 Weitere Anwendungen und Schaltungsaspekte 2147
16.1.7.1 Induktionsheizung 2147
16.1.7.2 Schweißtechnik 2150
16.1.7.3 Ansteuerungsprobleme 2150
16.1.7.4 Weitere Anwendungen 2151
16.2 Sperrschwingwandler 2151
16.2.1 Allgemeines 2151
16.2.2 Dimensionierung und Simulation eines konkreten Beispiels 2153
16.2.2.1 Dimensionierung 2153
16.2.2.2 Ergebnisse der Simulation 2155
16.2.2.3 Detaillierte Betrachtung des Umschaltvorgangs zwischen Entlade- und Ladephase 2156
16.2.3 Modifizierte Schaltung 2157
16.2.3.1 Schaltungsauslegung 2157
16.2.3.2 Nachdimensionierung der Schaltung 2158
16.2.4 Berücksichtigung einer Streuinduktivität im Ladekreis 2160
16.2.4.1 Allgemeines 2160
16.2.4.2 Funktion der Transistorschutzschaltung 2161
16.2.5 Abhängigkeit der Ausgangsspannung ULa vom Lastwiderstand RLa 2166
16.2.6 Modellparameter für PSPICE 2168
16.3 Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC 2174
16.3.1 Allgemeines 2174
16.3.2 Typen von Entladungslampen 2174
16.3.3 Aufbau und Betriebsverhalten der Leuchtstoffröhren als Beispiel für Niederdruck-Entladungslampen 2175
16.3.4 Ansteuerschaltungen für den Betrieb von Niederdruck-Entladungslampen – Allgemeines 2177
16.3.5 Konventionelle Vorschaltgeräte 2177
16.3.6 Elektronische Vorschaltgeräte – Allgemeines 2178
16.3.7 Schaltungen von Vorschaltgeräten mit Gleichspannungseingang 2179
16.3.7.1 Elektronisches Vorschaltgerät mit selbstschwingender Brücke 2180
16.3.7.1.1 Allgemeine Erklärung der Schaltungsfunktion und Erläuterungen zur Bauteildimensionierung 2180
16.3.7.1.2 Herleitung der Schaltungsstruktur 2181
16.3.7.1.3 Anschwingen der Wechselrichterhalbbrücke vor dem Zünden der Lampe 2182
16.3.7.1.4 Verhalten nach dem Zünden 2182
16.3.7.2 Elektronisches Vorschaltgerät mit integrierter Ansteuerschaltung 2188
16.3.7.3 Vorkehrungen zur Optimierung des Netzverhaltens (Aspekte zum Netzverhalten) 2191
16.3.8 Ansteuerschaltungen (ICs) für Leuchtstofflampen 2192
16.3.8.1 Allgemeines 2192
16.3.8.2 PFC-Eingangsstufe 2195
16.3.8.3 Vorschaltgerät 2198
16.3.8.4 Spannungsversorgungen und Ansteuerfunktionen 2203
16.3.8.4.1 Prinzipielle Arbeitsweise 2203
16.3.8.4.2 Zusätzliche Funktionen 2205
16.3.9 Einstufen-Power-Factor-Correction (PFC) mit regelbarer Ausgangsgleichspannung und Induktivität im Eingangskreis 2206
16.3.9.1 Einleitung 2206
16.3.9.2 Schaltungsanalyse 2207
16.3.9.2.1 Allgemeines 2207
16.3.9.2.2 Betriebszustände 2208
16.3.9.3 Zusammenfassung 2212
16.3.9.3.1 Kondensatorstrom und -spannung 2212
16.3.9.3.2 Leitdauer 2212
16.3.10 Einstufige Lampenansteuerungen mit integrierter PFC ohne Induktivität im Eingangskreis 2213
16.3.10.1 Einführung 2213
16.3.10.2 Spannungsquellenprinzip 2215
16.3.10.2.1 Allgemeines 2215
16.3.10.2.2 PFC-Funktion 2217
16.3.10.2.3 Inverterfunktion 2222
16.3.10.3 Stromquellenprinzip 2227
16.3.10.4 Kombiniertes Strom- und Spannungsquellenprinzip 2236
16.3.10.5 Anmerkung zum Betriebsverhalten und zur Dimensionierung 2238
16.4 Matrixumrichter 2239
16.4.1 Grundidee 2239
16.4.1.1 Entwurf und einphasige Last 2240
16.4.1.2 Dreiphasige Last 2244
16.4.2 Realisierungsmöglichkeiten 2247
16.4.2.1 Idealisierte Pulsmuster 2247
16.4.2.2 Schaltelemente und Steuerung 2250
16.4.3 Versuchsergebnisse 2255
16.4.4 Zusammenfassung 2255
16.5 Solarkonverter 2257
16.5.1 Einleitung 2257
16.5.1.1 Historisches und Allgemeines 2257
16.5.1.2 Wirkungsgrad und energetische Amortisation 2257
16.5.2 Solarzellen 2258
16.5.2.1 Aufbau 2258
16.5.2.2 Ersatzschaltbilder 2259
16.5.2.3 Kennlinien der Solarzelle 2261
16.5.2.3.1 Dunkelkennlinie 2261
16.5.2.3.2 Kennlinie der bestrahlten Solarzelle 2261
16.5.2.4 Arbeitspunkt von Solarzellen 2263
16.5.3 Energiespeicher 2264
16.5.4 Laderegler 2265
16.5.4.1 Serienregler 2266
16.5.4.2 Shuntregler 2267
16.5.5 Anpaßwandler 2267
16.5.6 MPP-Tracker 2269
16.5.6.1 Arbeitsprinzipien von MPP-Trackern 2270
16.5.6.1.1 Indirekte MPP-Tracker (Vorsteuerung) 2270
16.5.6.1.2 Direkte MPP-Tracker (Regelung) 2270
16.5.6.2 MPP-Tracker beim Laden von Akkumulatoren 2270
16.5.7 Wechselrichter 2272
16.5.7.1 Anforderungen 2272
16.5.7.2 Konzepte 2273
16.5.7.3 Anpassung Solargenerator – Wechselrichter 2275
16.5.8 Photovoltaiksysteme 2276
16.5.8.1 Autarke Photovoltaikanlagen bzw. Inselsysteme 2276
16.5.8.2 Netzgekoppelte Systeme 2278
16.5.9 Trends 2280
16.5.9.1 Allgemein 2280
16.5.9.2 Inselanlagen 2280
16.5.9.3 Netzgekoppelte Anlagen 2280
16.5.10 Normen und Vorschriften 2281
16.5.11 Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen 2281
16.5.12 ISO 14000 – Einführung in die Photovoltaikindustrie 2283
16.5.12.1 Markante Punkte der Norm ISO 14000 2284
16.5.12.2 Schlüsselmerkmale der Norm ISO 14001 (parallel zu ISO 9001) 2284
16.5.12.3 Wichtige Aspekte von ISO 14001 zu Umweltfragen 2284
16.6 Verstärker 2284
16.6.1 Einleitung 2284
16.6.2 Leistungsverstärker im D-Betrieb 2285
16.6.2.1 Allgemeines und Schaltverstärker mit Halbbrücke 2285
16.6.2.2 Schaltverstärker in Multizellenstruktur (Multicellverstärker) mit Vollbrücken 2290
16.6.2.3 Strom- und Spannungsregelung 2294
16.6.2.3.1 Allgemeines 2294
16.6.2.3.2 Modellbildung und grundsätzliche Voraussetzungen 2294
16.6.2.3.3 Dimensionierung des Reaktanzfilters 2299
16.6.2.3.4 Kaskadierte Strom- / Spannungsregelung 2302
16.6.2.3.5 Dimensionierung des Stromreglers 2303
16.6.2.3.6 Dimensionierung des Spannungsreglers 2312
16.6.2.4 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker (ALS-Verstärker) 2316
16.6.2.4.1 Prinzipielle Funktionsweise 2316
16.6.2.4.2 Dimensionierung des Ausgangsfilters 2322
16.6.2.4.3 Regelung 2322
16.6.3 Kombination von Schalt- und Linearverstärkern 2323
16.6.3.1 Allgemeines 2323
16.6.3.2 Direkte Kopplung von linearem und schaltendem Verstärker 2323
16.6.3.3 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker mit hybridem Ausgangsfilter 2327
16.6.4 Verstärker für Audiosysteme und weitere Anwendungen 2329
16.6.4.1 Allgemeines zur Klassifizierung von Leistungsverstärkern 2329
16.6.4.2 Klasse E-Verstärker (für frequenzabgestimmte Systeme, z. B. Sender) 2331
16.7 Netzgekoppelte Pulsumrichter – Aktive Rippelkompensation 2334
16.7.1 Einleitung 2334
16.7.2 Grundkonzepte, netz- und schaltfrequente Oberschwingungen 2336
16.7.3 Kopplungsstufe 2344
16.7.4 Regelung der Filterumrichterspannung 2346
16.7.5 Signalrippelfilter (SRF) 2349
16.7.6 Filterstromregelung 2353
16.7.7 Spannungsregelung für den Filterumrichter 2357
16.7.8 Niederfrequente Schwingungen und Regelung des Hauptumrichters 2358
16.7.9 Anwendung der Multizellenstruktur 2363
16.7.10 Zusammenfassung 2370
16.8 Leistungselektronik im KFZ 2373
16.8.1 Einleitung 2373
16.8.2 Spannungsregelung im KFZ 2373
16.8.2.1 Konventionelle Linearregler 2374
16.8.2.2 Linearregler mit kleinem Spannungsabfall LDO (= Low Drop Out) 2375
16.8.2.3 Betrachtung des LDO-Regelkreises 2376
16.8.2.4 Überbrückung von Spannungseinbrüchen 2381
16.8.3 Ansteuerung von Magnetventilen (z. B. für elektronische Einspritzung) 2383
16.8.3.1 Allgemeines 2383
16.8.3.2 Magnetventilansteuerung mit L9140 2384
16.8.4 Antriebssysteme mit Brennstoffzellen 2386
16.8.4.1 Allgemeines 2386
16.8.4.2 Bidirektionaler DC–DC-Konverter 2387
16.8.5 Pulswechselrichter 2390
16.8.5.1 Allgemeines 2390
16.8.5.2 Multizellenkonverter 2390
16.8.5.3 Multilevelkonverter 2394
16.8.6 Bordnetze mit 42 V 2396
16.8.6.1 Allgemeines 2396
16.8.6.2 DC–DC-Konverter für 42 V-Bordsysteme 2396
16.8.6.3 Smart Power Devices 2399
16.8.6.3.1 Sicherheitseinrichtungen 2399
16.8.6.3.2 Active Clamping 2401
16.8.6.3.3 Unterbrechung der Masse 2401
16.8.7 Beleuchtungstechnik 2402
16.8.8 Brennstoffzellen 2403
16.8.8.1 Einleitung 2403
16.8.8.2 Brennstoffzellensysteme 2406
16.8.8.3 DMFC 2407
16.8.8.3.1 Einleitung 2407
16.8.8.3.2 Funktionsweise 2407
16.8.8.3.3 Stationäre Kennlinien 2409
16.8.8.4 Dynamisches Verhalten der Brennstoffzellen 2411
16.8.8.5 DMFC-Antrieb 2413
16.9 Beeinflussungen der Arbeitsweise 2415
16.9.1 Allgemeines 2415
16.9.2 Wechselrichterkippen und Überströme zufolge Netzspannungseinbrüchen und -ausfällen bei netzgeführten Systemen 2415
16.9.3 Umrichterfehler und Möglichkeiten zur Korrektur 2421
16.9.3.1 Ursachen von Umrichterfehlern 2421
16.9.3.2 Korrekturmaßnahmen 2426
16.9.4 Einfluß von Streuinduktivitäten 2426
16.9.4.1 Gegentaktwandler 2426
16.9.4.2 Stromverdopplerschaltung 2447
16.9.5 Einfluß der Magnetisierungsströme 2462
16.9.6 Entlastungsschaltungen – Reduktion von Schaltverlusten und Einfluß parasitärer Elemente 2486
16.10 Literatur 2496
17. Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung 2505
17.1 Allgemeines 2505
17.1.1 Grundlegende Begriffsdefinitionen 2506
17.1.2 Störfestigkeit (Passive EMV) 2507
17.1.3 Störaussendungen (Aktive EMV) 2508
17.1.4 Zusammenfassung 2509
17.2 EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV) 2509
17.2.1 Theoretische EMV-Analyse 2510
17.2.2 EMV-Funktionstest 2512
17.2.3 Betrachtete physikalische Größen 2513
17.2.4 Zusammenfassung 2514
17.3 Kopplungsmechanismen 2515
17.3.1 Störungskopplung – Grundlagen 2515
17.3.2 Galvanische Kopplung 2518
17.3.2.1 Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen 2519
17.3.2.2 Masseschleifenkopplung 2520
17.3.3 Kapazitive Kopplung 2520
17.3.4 Induktive Kopplung 2521
17.3.5 Elektromagnetische Kopplung 2523
17.3.5.1 Wellenleiterkopplung 2523
17.3.5.2 Strahlungskopplung 2524
17.3.6 Identifikation von Kopplungsmechanismen 2526
17.4 Störquellen (Aktive EMV) 2527
17.4.1 Einteilung nach dem Spektrum 2528
17.4.2 Schmalbandige Störquellen 2528
17.4.2.1 Systeme mit Netzrückwirkungen – Allgemeines 2528
17.4.2.2 Leistungselektronische Schaltungen 2530
17.4.2.3 HF-Generatoren 2531
17.4.2.4 Starkstromleitungen 2532
17.4.3 Intermittierende Breitbandstörquellen 2532
17.4.3.1 Grundstörpegel („Elektrosmog“) 2532
17.4.3.2 Kommutatormotoren 2532
17.4.3.3 KFZ-Zündanlagen 2533
17.4.3.4 Gasentladungslampen 2533
17.4.3.5 Hoch- und Mittelspannungsfreileitungen 2533
17.4.4 Transiente Breitbandstörungen 2534
17.4.4.1 Elektrostatische Entladungen 2534
17.4.4.2 Geschaltete Induktivitäten 2536
17.4.4.3 Transienten in Versorgungsnetzen 2538
17.4.4.4 Blitze – LEMP 2538
17.4.4.5 High Energy Electromagnetic Pulse – HEMP 2540
17.4.5 Umgebungsklassen 2540
17.4.5.1 Leitungsgebundene Störungen 2541
17.4.5.2 Störstrahlung 2542
17.5 Störsignale an der Störsenke (Passive EMV) 2542
17.5.1 Auswirkung auf Bauelemente 2542
17.5.2 Störfestigkeit bei analogen Signalen 2544
17.5.3 Störfestigkeit bei digitalen Signalen 2544
17.5.4 Ermittlung der Störfestigkeit durch Prüfungen 2546
17.5.4.1 Simulation leitungsgebundener Störungen 2547
17.5.4.2 Simulation quasistationärer und transienter Felder (elektromagnetischer Wellen) 2550
17.6 Reduktion von Störungen (der aktiven EMV) und Erhöhung der Störfestigkeit (der passiven EMV) 2552
17.6.1 Allgemeines 2552
17.6.2 Optimierung der Leitungsführung 2553
17.6.2.1 Leitungstypen 2553
17.6.2.2 Verlegung des Bezugspotentials (Erd- und Masseleitungen) 2553
17.6.2.3 Verlegung von Signalleitungen 2556
17.6.2.4 Verlegung von Versorgungsleitungen 2558
17.6.3 Filterung 2560
17.6.3.1 Filterarten 2561
17.6.3.2 Aufbau von Filtern 2562
17.6.3.3 Entstörfilter 2566
17.6.4 Überspannungsableiter 2572
17.6.5 Optokoppler und Lichtleiter 2573
17.6.6 Trenntransformatoren 2573
17.6.7 Differenzverstärker 2573
17.6.8 Allgemeine Maßnahmen gegen kapazitive Kopplung 2575
17.6.9 Allgemeine Maßnahmen gegen induktive Kopplung 2576
17.6.10 Maßnahmen bei Wellenleiter- und Strahlungskopplung 2576
17.6.10.1 Allgemeines 2576
17.6.10.2 Elektromagnetische Schirme 2577
17.6.10.2.1 Berechnung mittels Impedanzkonzeptes 2578
17.6.10.2.2 Konkreter Schirmaufbau 2581
17.6.11 Maßnahmen zur Reduktion der Störaussendung von Quellen 2584
17.6.12 Allgemeines zur Verbesserung der Störfestigkeit 2585
17.6.12.1 Grundsätzliches 2585
17.6.12.2 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei analogen Systemen 2585
17.6.12.3 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei digitalen Systemen 2585
17.7 EMV-Normung und CE-Kennzeichnung 2586
17.7.1 Einführung und Struktur von Normen und Richtlinien 2586
17.7.2 Vorgangsweise bei der CE-Kennzeichnung 2588
17.7.3 Maschinenrichtlinie 2591
17.7.4 Niederspannungsrichtlinie 2592
17.7.5 EMV-Richtlinie (Ermittlung von Störfestigkeit und Störaussendung durch Prüfungen) 2594
17.7.6 CE-Kennzeichnung bei Stromversorgungen 2601
17.7.7 CE-Kennzeichnung in der elektrischen Antriebstechnik 2602
17.8 Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung 2603
17.8.1 Störfestigkeit gegen schnelle elektrische Transienten (Bursts) 2604
17.8.2 Störfestigkeit gegen Stoßspannungen (Surges) 2606
17.8.3 Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD) 2611
17.8.4 Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (AM =Amplitudenmodulation) 2613
17.8.5 Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (PM =Pulsmodulation) 2615
17.8.6 Störfestigkeit gegen HF-Bestromung auf Leitungen 2616
17.8.7 Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen 2616
17.9 Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung 2618
17.9.1 Leitungsgebundene Störaussendungen (150 kHz . . . 30 MHz) 2619
17.9.2 Oberschwingungen 2622
17.9.3 Flicker 2625
17.9.4 Strahlungsgebundene Störaussendungen 2625
17.10 Einteilungsgrundsätze der Störungsarten und praktische Hinweise 2631
17.10.1 Einteilung nach technisch-physikalischen Gesichtspunkten 2631
17.10.2 Vergleich der größtenteils genormten Störimpulse und der Netzspannungsbeeinträchtigungen nach Größe und Zeitdauer 2632
17.10.3 Einteilung nach „Ursache und Wirkung“ 2634
17.10.4 Praktische Hinweise zur Störungsproblematik der Leistungselektronik 2634
17.10.4.1 Störquellen in Schaltnetzteilen 2634
17.10.4.2 Ansatzpunkte zur EMV-Optimierung 2638
17.10.4.3 Maßnahmen zur Minimierung von Störungen 2638
17.10.4.4 Bauelemente für die Entstörung – Maßnahmen zur nachträglichen Entstörung 2639
17.11 Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte 2643
17.11.1 Aktualisierte Werte zu den leitungsgebundenen Störgrenzwerten nach Abschnitt 7.3.3 und historischer Überblick 2643
17.11.2 Aktualisierte Werte zu den Geräusch- und Längsspannungen (ergänzend zu Abschnitt 7.3.2) 2646
17.11.3 Aktualisierte Störgrenzwerte bei Abstrahlung (ergänzend zu Abschnitt 7.3.4) 2646
17.12 Beeinflussung von Nachrichtenleitungen durch Schaltungen der Leistungselektronik – Analytische Berechnung 2648
17.12.1 Allgemeines 2648
17.12.1.1 Motivation zur analytischen EMV-Behandlung 2648
17.12.1.2 Überblick zur praktischen Bedeutung vorliegender Analyse 2648
17.12.2 Prinzipielle Gesichtspunkte zur Berechnung der Starkstrombeeinflussung für Nachrichtenkabel 2649
17.12.2.1 Im Bereich von Drehstromanlagen 2649
17.12.2.1.1 Beeinflussende Leitung 2649
17.12.2.1.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel 2650
17.12.2.2 Im Bereich von elektrischen Bahnen 2650
17.12.2.2.1 Beeinflussende Leitung (Fahrdraht) 2650
17.12.2.2.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel 2651
17.12.3 Grenzwerte für Spannungen bei Beeinflussungen 2652
17.12.3.1 Maximalwerte für Geräusch- und Fremdspannungen 2652
17.12.3.2 Maximalwerte von Gefährdungsspannungen 2652
17.12.4 Berechnungsformel nach VDE 2653
17.12.5 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters in einem Hohlzylinder aus Stahl 2654
17.12.6 Fluß in der Schleife des Nachrichtensystems 2676
17.12.7 Oberschwingungsgehalt des Speisestromes von thyristorgesteuerten Verbrauchern (Gleichstrommotor-Antrieb) und Gefährdungsspannung 2683
17.12.7.1 Idealisiertes Zeitverhalten 2683
17.12.7.2 Nichtideales Verhalten 2684
17.12.8 Oberschwingungsgehalt und Gefährdungsspannung bei Lastkurzschluß 2685
17.12.8.1 Gleiche Stromformen in allen drei Phasenleitern 2685
17.12.8.2 Ausfall einer Phase 2686
17.12.8.3 Zusammenfassung 2687
17.13 Literatur 2688
Namen- und Sachverzeichnis 2693
Verzeichnis der Tafeln und Tabellen 2864