Leistungselektronik für Bachelors

Inhalt

1 Einführung in die ­Leistungselektronik

1.1 Grundlagen

1.2 Eigenschaften des Schaltbetriebs

1.2.1 Gleich-, Wechsel-, Mischgrößen

1.2.2 Arithmetischer Mittelwert

1.2.3 Effektivwert

1.2.4 Gesamteffektivwert, Klirrfaktor, Formfaktor und Welligkeit

1.2.5 Überschlägige Berechnung bei einfachen Kurvenverläufen

1.3 Leistungsbilanz bei Stromrichtern

1.3.1 Leistungsfaktor bei sinusförmigen Größen

1.3.2 Fourier-Analyse

1.3.3 Blindleistung bei Stromrichtern

1.4 Betriebsquadranten

1.5 Lösungen

2 Leistungshalbleiter

2.1 Grundlagen der Halbleiterphysik

2.1.1 Eigenleitfähigkeit

2.1.2 Dotierung

2.1.3 Feld- und Diffusionsstrom

2.1.4 Kombination von P- und N-dotierten Halbleitern zum PN-Übergang

2.1.4.1 Raumladungszone beim stromlosen PN-Übergang

2.1.4.2 Raumladungszone beim PN-Übergang in Durchlassrichtung

2.1.4.3 Raumladungszone beim PN-Übergang in Sperrrichtung

2.2 Neue Halbleitermaterialien

2.2.1 Halbleiter mit großem Bandabstand

2.2.2 Anwendungsgebiete

2.3 Vergleich von idealen und realen Schaltern

2.4 Diode

2.5 Thyristor

2.6 Transistoren

2.6.1 MOSFET (Unipolar-Transistor)

2.6.2 Bipolar-Transistor

2.6.3 IGBT

2.6.4 Gemeinsamkeiten von Transistoren

2.7 Abschaltbare Thyristoren

2.7.1 Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO)

2.7.2 Integrated-Gate-Commutated-Thyristor (IGCT)

2.8 Schutz von Leistungshalbleitern

2.8.1 Spannungsbelastbarkeit

2.8.2 Überspannungsschutz

2.8.3 Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss

2.8.4 Ein- und Ausschaltentlastung bei Transistoren

2.9 Erwärmung und Kühlung von Leistungshalbleitern

2.9.1 Durchlassverluste bei Thyristoren und Dioden

2.9.2 Verluste bei Transistoren

2.9.2.1 Durchlassverluste

2.9.2.2 Schaltverluste

2.9.3 Wärmetransport und Auslegung der Kühlung

2.10 Datenblattangaben für Dioden und Transistoren

2.10.1 Verwendete Kurzzeichen und Indizes in Datenblättern

2.10.2 Angabe von Kenndaten und Grenzwerten

2.10.3 Gleichrichterdioden

2.10.3.1 Grenzwerte (Absolute maximum ratings)

2.10.3.2 Kenndaten (Characteristics)

2.10.4 Thyristoren

2.10.4.1 Grenzwerte

2.10.4.2 Kenndaten

2.10.5 Transistormodule

2.10.5.1 Grenzwerte für Transistor-Module

2.10.5.2 Kenndaten

2.11 Lösungen

3 Stromrichterschaltungen mit Dioden und Thyristoren

3.1 Einpuls-Gleichrichter M1

3.1.1 Aufbau der Schaltung

3.1.2 Funktionsweise der ungesteuerten M1U-Schaltung

3.1.3 Funktionsweise der gesteuerten M1C-Schaltung

3.2 Zweiphasige Mittelpunktschaltung M2

3.2.1 Aufbau und Funktionsweise

3.2.2 Stromglättung

3.2.3 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb

3.3 Dreiphasige Mittelpunktschaltung M3

3.3.1 M3-Schaltung bei ohmscher Last

3.3.1.1 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb

3.3.1.2 Steuergesetz im Lückbetrieb

3.3.2 M3-Schaltung bei idealer Glättung

3.3.3 Glättungsdrossel

3.3.4 Wechselrichterbetrieb

3.3.5 Auswirkung und Berechnung der Kommutierung

3.3.5.1 Kommutierung bei netzgeführten Stromrichtern

3.3.5.2 Auswirkung der Überlappung

3.3.5.3 Wechselrichtergrenze

3.3.5.4 Gleichspannungsersatzschaltbild für Mittelwerte

3.3.6 Mittelpunktschaltungen mit verbundenen Anoden

3.3.7 Netzströme und Transformatorbauleistung

3.4 Brückenschaltungen netzgeführter Stromrichter

3.4.1 Vollgesteuerte Drehstrombrückenschaltung B6C

3.4.2 Brückenschaltung B2C

3.5 Umkehrstromrichter

3.6 Lösungen

4 Gleichstromsteller

4.1 Einführung

4.2 Tiefsetzsteller

4.2.1 Grundschaltung

4.2.2 Realer Tiefsetzsteller

4.2.3 Dimensionierung des LC-Filters

4.2.4 Stromwelligkeit

4.2.5 Betrieb mit lückendem Strom

4.3 Hochsetzsteller

4.3.1 Grundlegende Arbeitsweise

4.3.2 Betrieb mit lückendem Strom

4.4 Mehrquadrantensteller

4.4.1 Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr

4.4.2 Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr

4.5 Vollbrücke

4.5.1 Allgemeine Einführung

4.5.2 Pulsweitenmodulation

4.5.2.1 Pulsweitenmodulation mit zwei Spannungsniveaus (PWM2)

4.5.2.2 PWM mit drei Spannungsniveaus (PWM3)

4.6 Ansteuerschaltungen für MOS-Transistoren

4.6.1 Grundlagen

4.6.2 CMOS-Gatter

4.6.3 Gegentaktstufe

4.6.4 Beschleunigtes Abschalten

4.6.5 Treiber-ICs

4.6.6 Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager

4.7 Lösungen

5 Umrichter mit Gleich­spannungs-Zwischenkreis

5.1 Einführung

5.2 Einphasige spannungseinprägende Wechselrichter

5.2.1 Halbbrücke mit Grundfrequenztaktung

5.2.2 Vierquadrantensteller mit Grundfrequenztaktung

5.2.3 Steuerverfahren zur Verstellung von Frequenz und Amplitude

5.2.3.1 Pulsamplitudenmodulation

5.2.3.2 Vierquadrantensteller mit Unterschwingungsverfahren

5.2.4 Anwendungen

5.3 Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter

5.3.1 Grundlegender Aufbau und Steuerverfahren

5.3.1.1 Grundfrequenztaktung

5.3.1.2 Unterschwingungsverfahren

5.3.1.3 Raumzeigermodulation

5.3.1.4 Weitere Steuerverfahren

5.3.1.5 Flattop-Verfahren

5.3.2 Ergänzende Komponenten

5.4 Einsatzgebiete und Anwendungen

5.4.1 Elektronische Antriebstechnik

5.4.2 Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energien

5.5 Lösungen

6 Mehrpunkt-Wechselrichter

6.1 Grundlagen und Schaltungsvarianten

6.2 Dreipunkt-Wechselrichter

6.2.1 Einphasiger Dreipunkt-Halbbrücken-Wechselrichter

6.2.1.1 Pulsweitenmodulation der Dreipunkt-Halbbrücke

6.2.1.2 Steuergesetz und Ausgangsspannung

6.2.1.3 Spannungs- und Stromverläufe bei der PWM

6.2.1.4 Bedeutung der Klemmdioden

6.2.2 Dreiphasiger Dreipunkt-Wechselrichter

6.2.2.1 Schaltzustände und Ausgangsspannungen

6.2.2.2 Spannungsraumzeiger

6.2.2.3 Modulationsverfahren und Steuergesetz

6.2.2.4 Auswirkung von Verriegelungszeiten auf die Ausgangsspannung

6.3 Lösungen

7 Resonantes Schalten

7.1 Motivation

7.2 Grundlegende Analyse von LC-Kreisen

7.3 Grundstrukturen für weiches Schalten

7.4 Tiefsetzsteller mit ZCS

7.5 Tiefsetzsteller mit ZVS

7.6 Lösungen

A1 Fachbegriffe Deutsch-Englisch/Englisch-Deutsch

A2 Formelzeichen und Abkürzungen

A3 Glossar

Literatur

Index