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Leistungselektronik

Ein Handbuch Band 1 / Band 2

AutorFranz Zach
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl2787 Seiten
ISBN9783211892145
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis223,89 EUR

Das Standardwerk zur Leistungselektronik stellt Aufbau, Wirkungsweise und Analyse der Schaltungen und der elektrischen Vorgänge umfassend dar. Neben den starkstromtechnischen Aspekten der Leistungskreise und der Bauelemente werden auch die Steuerungskreise, die Rückwirkungen auf die elektrischen Netze sowie die Beeinflussung von Nachrichtensystemen behandelt. Die neuen Gebiete der Leistungselektronik sind in der 4., komplett überarbeiteten Auflage detailliert beschrieben und wurden durch ausführliche Erklärungen der Schaltungsprinzipien ergänzt.



Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Franz Zach

geb. 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.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Title page2
Copyright page3
Vorwort zur 1. Auflage4
Vorwort zur 2. Auflage6
Vorwort zur 3. Auflage7
Vorwort zur 4. Auflage8
Table of contents13
Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole46
1. Einleitung52
1.1 Grundprinzipien der Leistungselektronik52
1.2 Stellung der Leistungselektronik in der Elektrotechnik und Anwendungsgebiete53
1.3 Methoden der Leistungselektronik54
1.4 Einteilung der leistungselektronischen Schaltungen54
1.5 Historisches54
1.6 Aufbau und Organisation des vorliegenden Werkes55
2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen57
2.1 Mathematische Grundlagen57
2.1.1 Fouriersche Reihen57
2.1.1.1 Allgemeine Formeln57
2.1.1.2 Spezielle Funktionen bzw. Symmetrien (Abb. 2.1)60
2.1.1.3 Wichtige Fourierreihen64
2.1.1.3.1 Allgemeine Verläufe64
2.1.1.3.2 Spezielle Funktionen der Leistungselektronik69
2.1.2 Laplacetransformation100
2.1.3 Geometrische Reihen, exponentielle Verläufe und quadratische Gleichungen101
2.1.4 Berechnung von Schaltungen der Leistungselektronik102
2.2 Elektrotechnische Grundlagen106
2.2.1 Allgemeines106
2.2.2 Spannungen und elektromotorische Kräfte (Zählpfeile und Definitionen)106
2.2.3 Transformatoren107
2.2.4 Drehstromsysteme – Verhalten bei Oberschwingungen108
2.2.5 Leistungsarten und Kennwerte nichtsinusförmiger Ströme und Spannungen110
2.2.6 Kennwerte bei nichtsinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor119
2.3 Literatur121
Anhang 2A.Winkelfunktionen – Additionstheoreme123
3. Bauelemente der Leistungselektronik124
3.1 Allgemeines124
3.2 Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik124
3.3 Diode125
3.3.1 Statisches Verhalten126
3.3.2 Dynamisches Verhalten128
3.3.3 Abhängigkeiten von der Temperatur129
3.4 Transistoren130
3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise*130
3.4.2 Stromverstärkung131
3.4.3 Kennlinienfeld132
3.4.4 Grenzdaten von Transistoren und Kühlung134
3.4.4.1 Spannungsgrenzen134
3.4.4.2 Stromgrenze134
3.4.4.3 Leistungsgrenze135
3.4.4.4 Kühlung135
3.4.4.5 Grenzdaten bei Schalt- oder Impulsbetrieb136
3.4.4.6 Zusammenstellung der Grenzwerte137
3.4.4.7 Lebensdauer des Leistungstransistors138
3.4.5 Parallelschaltung und Verluste138
3.4.5.1 Aufteilung des Gesamtstromes138
3.4.5.2 Stromverstärkungsverlauf und minimale Steuer- und Durchlaßverluste139
3.4.6 Zeitliches Schaltverhalten139
3.4.7 Transistoren für höhere Spannungen [3.26]140
3.5 Thyristoren143
3.5.1 Aufbau und Wirkungsweise143
3.5.2 Statisches Verhalten und Zündung145
3.5.2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung145
3.5.2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung (Blockierzustand)146
3.5.2.3 Durchlaßzustand148
3.5.2.4 Zündvorgang** und Eingangskennlinie148
3.5.2.5 Empfohlene Steuerdaten150
3.5.3 Dynamisches Verhalten Schaltvorgänge151
3.5.3.1 Große Spannungssteilheit in Vorwärtsrichtung151
3.5.3.2 Einschaltvorgang und hohes di/dt151
3.5.3.3 Ausschaltvorgang – Freiwerdezeit153
3.5.3.3.1 Spannungsnachlaufzeit ts – Rückstrom iR155
3.5.3.3.2 Freiwerdezeit tq155
3.5.4 Thermisches Verhalten – Verlustleistung156
3.5.4.1 Statische Verluste156
3.5.4.2 Dynamische Verluste156
3.5.4.3 Ermittlung des Temperaturverlaufs und Kühlung157
3.5.5 Beschaltung von Thyristoren158
3.5.5.1 Dämpfung der Ausschaltüberspannungen (TSE-Beschaltung)158
3.5.5.2 Serienschaltung von Thyristoren162
3.5.5.3 Parallelschaltung von Thyristoren164
3.5.5.4 Überstrom- und Überspannungsschutz164
3.5.6 Grenzkennlinien168
3.5.7 Bauformen170
3.5.8 Technologische Verbesserungen171
3.5.8.1 Amplifying Gate [größeres (di/dt)max]171
3.5.8.2 Querfeldemitter172
3.5.8.3 Shorted Emitter173
3.6 Vergleich von Transistor und Thyristor174
3.6.1 Unterschiede im Aufbau und im statischen Betrieb174
3.6.2 Unterschiede im Schaltbetrieb175
3.6.3 Unterschiede in den dynamischen Grenzwerten und bei Überlastung176
3.6.4 Weitere Unterschiede176
3.6.5 Zusammenfassung176
3.7 Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik177
3.7.1 Unijunction-Transistor (Doppelbasisdiode)177
3.7.2 Triac178
3.7.3 Diac, Glimmlampe179
3.8 Literatur179
4. Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen182
4.1 Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen182
4.1.1 Allgemeines182
4.1.2 Einteilungsgrundsätze leistungselektronischer Schaltungen182
4.2 Fremdgeführte Schaltungen185
4.2.1 Allgemeines185
4.2.2 Netzgeführte Schaltungen186
4.2.2.1 Grundbegriffe zur Arbeitsweise netzgeführter Schaltungen186
4.2.2.1.1 Löschung186
4.2.2.1.2 Zündverzögerung und Kommutierung187
4.2.2.1.3 Grundlegende Betriebsfälle193
4.2.2.1.4 Überlappung212
4.2.2.2 Anschnittsteuerung: Gleich- und Wechselrichterbetrieb Überlappung212
4.2.2.2.1 Prinzipielles zur Spannungssteuerung212
4.2.2.2.2 Steuerungskennlinien bei Anschnittsteuerung für p = 2214
4.2.2.2.3 Lückender und nichtlückender Betrieb und Steuerungsgesetze für p > 2215
4.2.2.2.4 Wechselrichterbetrieb bei Netzführung218
4.2.2.2.5 Überlappung221
4.2.2.2.6 Innere Spannungsabfälle229
4.2.2.3 Grundlegende Arten von netzgeführten Schaltungen231
4.2.2.3.1 Mittelpunktschaltungen231
4.2.2.3.2 Brückenschaltungen233
4.2.2.3.3 Saugdrosselschaltung245
4.2.2.3.4 Wechselstrom- sowie Drehstromschalter und -steller251
4.2.2.4 Spezielle Probleme der Schaltungen mit Netzführung261
4.2.3 Lastgeführte Schaltungen288
4.3 Selbstgeführte Schaltungen297
4.3.1 Allgemeines297
4.3.2 Gleichstromsteller298
4.3.2.1 PrinzipielleWirkungsweise298
4.3.2.2 Anordnung von Löschschaltungen306
4.3.2.3 Weitere Löschschaltungen und Erweiterungen308
4.3.2.3.1 Allgemeines308
4.3.2.3.2 Systematik der Löschschaltungen308
4.3.2.3.3 Schaltungstechnische Erweiterungen und Verbesserungen der Löschschal-tungen315
4.3.2.4 Energierückgewinnung318
4.3.2.5 Zwei- und Vierquadrantensteller, Prinzip des selbstgeführten Wechselrichters320
4.3.2.6 Pulsgesteuerter Widerstand323
4.3.2.7 Einschaltprobleme bei Gleichstromstellern bzw. bei Löschschaltungen323
4.3.3 Selbstgeführte Wechselrichter, Pulswechselrichter324
4.3.3.1 Allgemeines324
4.3.3.2 Einphasige Schaltungen325
4.3.3.2.1 Mittelpunktschaltungen325
4.3.3.2.2 Brückenschaltungen339
4.3.3.3 Dreiphasige Wechselrichter344
4.3.3.3.1 Allgemeines344
4.3.3.3.2 Phasenfolgelöschung345
4.3.3.3.3 Spannungsverläufe349
4.3.3.3.4 Einzellöschung360
4.3.3.3.5 Belastung durch Wechselstrommotoren362
4.3.3.3.6 Steuerung der Ausgangsspannung367
4.3.3.3.7 Zwischenkreise, Umrichter367
4.3.3.3.8 (Spannungs-)Wechselrichter (Umrichter) mit steuerbarer Zwischenkreis-spannung368
4.3.3.3.9 (Puls-)Wechselrichter (Umrichter) mit konstanter Zwischenkreisspannung(Puls-Spannungswechselrichter)374
4.3.3.3.10 Wechselrichter (Umrichter) mit Gleichstromzwischenkreis (Stromwechselrichter)374
4.3.3.3.11 Vergleich von Spannungswechselrichtern und Stromwechselrichtern sowieZusammenfassung377
4.3.3.3.12 Betriebskennlinien selbstgeführter Schaltungen383
4.4 Literatur384
Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik386
4A.1 Allgemeines386
4A.2 Momenten / Zeit- bzw. Drehzahl / Zeit-Verlauf387
4A.3 Asynchronmotor und Ventilator mit verstellbaren Flügeln387
4A.4 Gleichstrommotor und Ventilator mit feststehenden Flügeln394
4A.5 Berechnung der Blindleistungen für beide Motoren404
4A.6 Zusammenfassung406
Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen406
Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen416
4C.1 Allgemeines416
4C.2 u-Zi-Diagramm für den Löschkondensator eines Gleichstromstellers416
4C.3 Aufladevorgang bei selbstgeführten Wechselrichtern417
4C.4 McMurray-Inverter417
4C.5 Betriebskennlinien420
4C.6 Strukturen der Löschschaltungen422
Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und 4.2426
4D.1 Tafel 4.1 (Systeme der Leistungselektronik)426
4D.2 Tafel 4.2 (Strukturen selbstgeführter Schaltungen)429
Anhang 4E. Dimensionierungshinweise429
4E.1 Netzgeführte Schaltungen429
4E.2 Selbstgeführte Schaltungen429
4E.2.1 Gleichstromsteller429
4E.2.2 Selbstgeführte Wechselrichter433
4E.2.2.1 Allgemeines433
4E.2.2.2 Dimensionierung von Kondensatoren und Induktivitäten433
4E.2.2.2.1 Spannungswechelrichter433
4E.2.2.2.2 Stromwechselrichter440
4E.2.2.3 Dimensionierung von Thyristoren und Dioden441
4E.2.2.4 Dimensionierung der Zwischenkreise444
4E.3 Auslegung der Steuerungskreise445
5. Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen)446
5.1 Allgemeines446
5.2 Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel- und Drehstromsteller447
5.2.1 Steuerungen bei Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität und allgemeine Prinzipien447
5.2.2 Steuerungen bei Verbrauchern mit induktivem Anteil453
5.3 Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung)455
5.3.1 Allgemeines455
5.3.2 Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität456
5.3.2.1 Nullspannungsschalter in diskreter Ausführung456
5.3.2.2 Integrierte Nullspannungsschalter457
5.3.3 Induktive Last – Nullstromsteuerung458
5.4 Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern [5.15]460
5.4.1 Einführung, Drehmoment–Drehzahl-Diagramm460
5.4.2 Einquadrantenbetrieb462
5.4.3 Zweiquadrantenbetrieb463
5.4.4 Umkehrbetrieb (Vierquadrantenbetrieb)464
5.4.5 Zusammenfassung der Steuerungsgesetze478
5.4.5.1 Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode478
5.4.5.2 Vollgesteuerte Schaltungen mit Freilaufdiode479
5.4.5.3 Halbgesteuerte Schaltungen480
5.4.5.4 Zusammenfassung der Steuerkennlinien und Kompoundierung480
5.5 Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller481
5.6 Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen487
5.6.1 Steuerung der Eingangsgleichspannung487
5.6.2 Zündeinsatzsteuerung (Zündwinkelsteuerung, Impulsbreitensteuerung mit einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung)487
5.6.3 Impulsbreitensteuerung (mit mehr als einem Ansteuerimpuls pro Halbschwingung einfache Form des Pulswechselrichters)490
5.6.4 Erzeugung sinusähnlicher Spannungen (Pulswechselrichter)490
5.6.5 Erhöhung der Pulszahl499
5.6.6 Generelles zum dreiphasigen Betrieb500
5.7 Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischenkreis500
5.7.1 Allgemeine Steuerung500
5.7.2 „Stromrichtermotor“503
5.8 Direktumrichter und ihre Steuerungen505
5.9 Transvektorregelung512
5.10 Weitere Steuerungsarten513
5.11 Literatur514
6. Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen516
6.1 Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen516
6.1.1 Allgemeines516
6.1.2 Vorschriften519
6.1.2.1 Internationale Vorschriften und elektrische Netze519
6.1.2.2 Nationale Vorschriften524
6.1.2.3 Ergänzende Bemerkungen526
6.2 Leistungsfaktor und Oberschwingungen526
6.2.1 Gesteuerte Gleich- und Wechselrichter mit Netzführung526
6.2.1.1 Leistungsfaktor cos .1526
6.2.1.2 Oberschwingungen des Netzstromes und der Lastspannung528
6.2.1.2.1 Überlappung u = 0528
6.2.1.2.2 Überlappung u > 0538
6.2.1.2.3 Kommutierungseinbrüche539
6.2.2 Nullspannungssteuerung (Impulspaket- oder Schwingungspaketsteuerung)542
6.2.3 Wechselstrom- und Drehstromsteller543
6.2.4 Direktumrichter544
6.3 Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes544
6.3.1 Allgemeines544
6.3.2 Maßnahmen durch geeignete Wahl bzw. Auslegung der leistungselektronischen Schaltung545
6.3.2.1 Verbesserung des Leistungsfaktors545
6.3.2.1.1 Freilaufdioden545
6.3.2.1.2 Folgesteuerung547
6.3.2.1.3 Vollständige Elimination der Phasenverschiebung und Erzeugung kapazitivenVerhaltens551
6.3.2.1.4 Weitere Methoden zur Reduktion der Phasenverschiebung im Netz552
6.3.2.1.5 Vergleich der angegebenen Methoden bezüglich Blindleistung552
6.3.2.2 Reduktion der Netzstromharmonischen553
6.3.2.2.1 Erhöhung der Pulszahl553
6.3.2.2.2 Steuerungstechnische Maßnahmen zur Reduktion der Netzstromoberschwingungen554
6.3.2.3 Gleichzeitige Optimierung von Leistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt556
6.3.3 Kompensationsmethoden (Störungsminderung durch Zusatzeinrichtungen außerhalb der leistungselektronischen Schaltung)556
6.3.3.1 Allgemeines556
6.3.3.2 Verbesserung des Leistungsfaktors557
6.3.3.3 Verbesserung des Oberschwingungsverhaltens558
6.3.3.3.1 Filter (Saugkreise)558
6.3.3.3.2 Statistische Kompensation von Oberschwingungen561
6.4 Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts- und Leistungsfaktoroptimierung563
6.4.1 Allgemeine Prinzipien563
6.4.2 Steuerungsgesetze für ohmsche Last566
6.4.3 Steuerungsgesetze für induktive Last568
6.5 Filter (Saugkreise, Siebkreise**)570
6.5.1 Allgemeines570
6.5.2 Filter bei netzgeführten Schaltungen571
6.5.2.1 Glättung von Lastspannungen571
6.5.2.2 Glättung des Netzstromes576
6.5.3 Filter für selbstgeführte Schaltungen576
6.5.3.1 Aufbau und Übertragungsfunktion576
6.5.3.2 Dimensionierung von L und C579
6.5.3.3 Das Ott-Filter581
6.5.3.4 Weitere Methoden zur Verbesserung der Ausgangsspannung [3.2], [6.57]582
6.6 Transformatoren für Stromrichter582
6.6.1 Allgemeines582
6.6.2 Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1)587
6.6.3 Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2)589
6.6.4 Zweipuls-Brückenschaltung (B2)591
6.6.5 Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3)592
6.6.6 Sechspulsschaltungen596
6.6.6.1 Dreiphasige Reihenschaltung596
6.6.6.2 Sechspuls-Brückenschaltung (Dreiphasen-Brückenschaltung B6)597
6.6.6.3 Sechspuls-Mittelpunktschaltung (M6)600
6.6.6.4 Saugdrosselschaltung (Doppel-Dreipuls-Mittelpunktschaltung, parallel, M3.2)602
6.6.6.4.1 Berechnung der Transformatortypenleistung602
6.6.6.4.2 Berechnung der Saugdrosseltypenleistung604
6.6.6.4.3 Sperrspannung605
6.6.6.5 Vergleichendes Beispiel: Dimensionierung mit Brücken- und Saugdrosselschaltung605
6.6.7 Ergänzende Bemerkungen607
6.6.7.1 Berücksichtigung der Überlappung607
6.6.7.2 Berücksichtigung der Magnetisierungskennlinien607
6.6.8 Bemerkungen zu Tafel 6.1 (Spannungen und Ströme wichtiger netzgeführter Schaltungen mit Zahlenbeispielen)608
6.7 Literatur610
7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)613
7.1 Einführung613
7.2 Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen616
7.3 Vorschriften, Normen und Meßmethoden619
7.3.1 Allgemeines619
7.3.2 Störspannung im Bereich von 0 bis 20 kHz und Gefährdungsspannung620
7.3.2.1 Praktisches Beispiel620
7.3.2.2 Geräuschspannung (Stör- und Fremdspannung)621
7.3.2.3 Längsspannung (Gefährdungsspannung)621
7.3.3 Störungen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz622
7.3.4 Störungen im Bereich ab 30 MHz624
7.3.5 Zusammenfassung626
7.4 Berechnungen von Beeinflussungsspannungen626
7.5 Entstörungsmaßnahmen627
7.6 Literatur630
8. Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick)633
8.1 Allgemeines633
8.2 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)634
8.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)636
8.4 Leistungselektronik in Flugzeugen und in der Raumfahrt637
8.5 Erzeugung hoher Gleichspannung für geringe Leistungen638
8.6 Netzgeräte641
8.7 Stromversorgung in der Elektrochemie641
8.8 Weitere Stromversorgungsanlagen641
8.9 Thyristor-Wechselspannungsregler642
8.10 Ladegleichrichter643
8.11 Widerstandsschweißen643
8.12 Anwendungen von Wechsel- und Drehstromstellern644
8.13 Thyristoren bei Induktionsheizungs- und Induktionsschmelzanlagen644
8.14 Verschiedene Anwendungen für kleine Leistungen644
8.15 Thyristorerregung von Synchronmaschinen644
8.16 Leistungselektronische Schaltungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Netzen644
8.17 Oberschwingungen (Netzrückwirkungen und Funkstörungen)645
8.18 Stromrichterantriebe einschließlich Anwendungen in Fahrzeugen645
8.18.1 Gleichstromantriebe647
8.18.1.1 Anwendung von netzgeführten Stromrichtern647
8.18.1.2 Anwendung von Gleichstromstellern649
8.18.2 Wechselstromantriebe650
8.18.2.1 Systeme mit nicht steuerbarer Frequenz651
8.18.2.2 Systeme mit steuerbarer Frequenz652
8.18.3 Vergleich Drehstromantrieb Gleichstromantrieb654
8.19 Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik655
8.20 Thyristorsteuerung mitMikroprozessoren655
8.21 Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik659
8.22 Literatur659
Anhang 8A. Neuere Methoden für Spannungssteuerungen und Stromregelungen665
9. Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke669
9.1 Einleitung669
9.2 Deutsch- und englischsprachige Fachzeitschriften, in denen regelmäßig (zumindest des öfteren) leistungselektronische Probleme behandelt werden bzw. wurden669
9.3 Konferenzen671
9.4 Sammelwerke674
9.5 Normen675
9.5.1 Grundlegende Normen676
9.5.2 Bauelemente677
9.5.3 Schaltungstechnik677
9.5.4 Netzrückwirkungen678
9.5.5 EMV678
9.5.6 Zusammenfassende und erläuternde Publikationen zu den deutschen (bzw. auch zu internationalen) Vorschriften zur EMV678
10. Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen680
10.1 Einführung680
10.1.1 Grundsätzliches680
10.1.2 Moderne Leistungshalbleiter (Überblick)680
10.1.3 Allgemeine Betrachtung von Leitmechanismen in Halbleitern683
10.2 Dioden in der Leistungselektronik686
10.2.1 Einleitung686
10.2.2 Ein- und Ausschaltverhalten schneller Leistungsdioden687
10.2.3 pin- und psn-Dioden*688
10.2.4 Schottkydioden690
10.3 Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke691
10.3.1 Einführung691
10.3.2 Aufbau692
10.3.3 Schaltverhalten692
10.3.4 Antisättigungsnetzwerke694
10.3.5 Parallelbetrieb695
10.3.6 Entlastungsnetzwerke696
10.3.6.1 Ausschaltentlastung696
10.3.6.2 Einschaltentlastung702
10.3.7 Verlustleistungsoptimierung704
10.3.8 Darlingtonstufe708
10.4 Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs)709
10.4.1 Einführung709
10.4.2 Aufbau709
10.4.3 Funktionsweise712
10.4.3.1 Einschaltvorgang712
10.4.3.2 Ausschaltvorgang713
10.4.3.3 Dynamischer Avalanche715
10.4.4 Steuergenerator716
10.4.5 Reihen- und Parallelschaltung von GTOs718
10.5 Power-MOSFET719
10.5.1 Aufbau und Wirkungsweise720
10.5.2 Statisches Verhalten727
10.5.3 Dynamisches Verhalten729
10.5.4 Betriebsgrenzen733
10.5.4.1 Gatespannung733
10.5.4.2 Drainspannung733
10.5.4.3 Drainspannungsanstieg733
10.5.4.4 Drainstrom734
10.5.4.5 Thermische Grenzen734
10.5.5 Verluste735
10.5.5.1 Statische Verluste735
10.5.5.2 Dynamische Verluste735
10.5.6 Beschaltungen des MOSFETs735
10.5.6.1 Gatebeschaltung735
10.5.6.2 Schutzbeschaltungen736
10.5.7 Parallelbetrieb737
10.5.8 Typische Ansteuerschaltungen737
10.5.8.1 Elektrisch isolierte Ansteuerungen737
10.5.8.2 Ansteuerung mit logischen Gattern738
10.5.9 Synchrongleichrichter739
10.6 IGBT741
10.6.1 Allgemeines741
10.6.2 Prinzipieller Aufbau742
10.6.3 Technische Ausführungsformen746
10.6.3.1 Punch-Through-IGBT746
10.6.3.2 Non-Punch-Through-IGBT748
10.6.3.3 Vergleich Punch-Through-IGBT – Non-Punch-Through-IGBT750
10.6.3.4 FS-IGBT (Field-Stop-IGBT)751
10.6.3.5 Trench-IGBT752
10.6.4 Funktionsweise (Physikalische Grundlagen)754
10.6.4.1 Einschaltvorgang755
10.6.4.2 Ausschaltvorgang757
10.6.5 Ersatzschaltbild758
10.6.6 Schaltkreissymbole758
10.6.7 Statisches Strom–Spannungs-Verhalten760
10.6.7.1 Grundsätzliches760
10.6.7.2 Durchlaßeigenschaften762
10.6.8 Dynamisches Strom–Spannungs-Verhalten764
10.6.8.1 Einschalten765
10.6.8.2 Ausschalten766
10.6.8.3 Schweifstrom767
10.6.8.4 Millereffekt768
10.6.9 Ein- und Ausschaltverluste (hartes Schalten)769
10.6.9.1 Näherungsweise Berechnung769
10.6.9.2 Kompromiß zwischen Durchlaßspannung und Ausschaltzeit771
10.6.9.3 Beeinflussung der Ausschaltverluste durch eine negative Gate–Emitter-Spannung772
10.6.9.4 Anforderungen an Ansteuerschaltungen773
10.6.9.5 Schaltentlastungsnetzwerke für IGBTs776
10.6.10 Schutz des IGBTs788
10.6.10.1 Überspannung789
10.6.10.2 Überstrom789
10.6.11 Betriebsgrenzen791
10.6.11.1 SOA (Safe Operating Area)791
10.6.11.1.1 FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area)793
10.6.11.1.2 RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area)794
10.6.11.2 Latch-Up (Einrasten)795
10.6.11.2.1 Statisches Latch-Up795
10.6.11.2.2 Dynamisches Latch-Up796
10.6.11.2.3 Verhinderung des Latch-Up796
10.6.12 Parallelschaltbarkeit796
10.6.12.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter, Bauteilselektion797
10.6.12.2 Beschaltungsmaßnahmen798
10.6.12.3 Layoutmaßnahmen799
10.6.12.4 Einfluß unterschiedlicher Sperrschichttemperaturen800
10.6.12.5 Herabsetzen der Nennbelastung (Derating)801
10.6.13 Serienschaltbarkeit801
10.6.13.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter801
10.6.13.2 Beschaltungsmaßnahmen802
10.6.13.2.1 Aktive Methoden der Spannungssymmetrierung802
10.6.13.2.2 Master-Slave-Prinzip804
10.6.13.2.3 Schaltzeitenkorrektur804
10.6.13.2.4 Schlußfolgerungen805
10.7 IGCT und Vergleich mit dem IGBT805
10.7.1 IGCT805
10.7.1.1 Einleitung805
10.7.1.2 Aufbau des Wafers806
10.7.1.2.1 Transparenter Emitter808
10.7.1.2.2 Pufferzone809
10.7.1.3 Funktionsweise811
10.7.1.3.1 Einschaltvorgang811
10.7.1.3.2 Ausschaltvorgang814
10.7.1.4 Aufbau des Gehäuses mit Gatesteuerleitung816
10.7.1.5 Vorgeschlagenes Symbol für die Schalt- und Stromlaufpläne818
10.7.2 Vergleich zwischen IGCT (GTO) und IGBT819
10.7.2.1 Vergleich von 3,3kV-Leistungshalbleiterschaltern819
10.7.2.2 Ausfallswahrscheinlichkeit820
10.7.2.3 Kosten822
10.7.2.4 Zusammenfassung: Vorteile – Nachteile823
10.7.3 Ausblick823
10.8 MOS-Controlled Thyristor (MCT)824
10.8.1 Funktionsweise des MCTs824
10.8.2 Realisierung des MCTs825
10.8.3 Zulässige Gatespannungs-Kurvenformen826
10.8.3.1 Spezifikation der Gatespannungs-Kurvenform827
10.8.3.2 Negative Amplitude, MCT eingeschaltet827
10.8.3.3 Negative Spannungsflanke827
10.8.3.4 Positive Amplitude828
10.8.3.5 Positive Flanke828
10.8.3.6 Derating828
10.8.4 MCT-Ansteuerschaltungen828
10.8.5 Einsatzgebiete des MCTs831
10.9 Ansteuerschaltungen für MGDs832
10.9.1 Einführung832
10.9.1.1 Anwendungsgebiete für Treiber832
10.9.1.2 MOSFETs und IGBTs833
10.9.1.3 MCTs834
10.9.2 Ein- und Ausschaltvorgang unter Einfluß des Gatewiderstandes834
10.9.2.1 Gatewiderstand834
10.9.2.2 Einschaltvorgang839
10.9.2.3 Ausschaltvorgang841
10.9.3 Low- und High-Side-Driving845
10.9.3.1 Low-Side-Driving (Treiber)845
10.9.3.2 High-Side-Driving (Treiber)845
10.9.3.2.1 Getrennte Gateversorgung847
10.9.3.2.2 Bootstrap-Verfahren848
10.9.3.2.3 Ladungspumpe850
10.9.3.2.4 Impulstransformator854
10.9.3.2.5 Carrier Drive856
10.9.4 Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Leistungskreis857
10.9.4.1 Optische Isolation857
10.9.4.2 Transformator858
10.9.5 Ergänzende Details864
10.9.5.1 du / dt- und di / dt-induziertes Einschalten864
10.9.5.2 Unterspannungserkennung UVLO865
10.9.5.3 Sense-Eingang866
10.9.5.4 Sicherheitsausschaltung870
10.9.5.5 Parallele Treiber870
10.9.5.6 Überspannungsschutz und Snubbernetzwerke871
10.9.5.7 Schaltungsentwurf mit Hilfe der Gate-Charge872
10.9.6 Vergleiche von industriell erzeugten Treibern878
10.9.6.1 Einzelchiptreiber879
10.9.6.2 Treibermodule881
10.10 Cool-MOS882
10.10.1 Allgemeines882
10.10.2 Aufbau884
10.10.3 Optimiertes Schaltverhalten und reduzierte Kapazitäten886
10.10.4 Neuartiger Aufbau von Netzteilen889
10.11 Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh)890
10.11.1 Static Induction Transistor (SIT)890
10.11.1.1 Allgemeines890
10.11.1.1.1 Langkanal-JFET890
10.11.1.1.2 Kurzkanal-JFET = SIT (Überblick)890
10.11.1.2 Aufbau892
10.11.1.3 Funktionsdetails892
10.11.1.4 Betriebsverhalten des SITs895
10.11.2 Static Induction Thyristor (SITh)895
10.11.2.1 Aufbau und Allgemeines895
10.11.2.2 Betriebsverhalten896
10.12 Trench-Elemente und MCD-Strukturen897
10.12.1 Trench-IGBT897
10.12.2 pn n-Dioden899
10.12.3 pn n-Dioden mit MOS-Steuerköpfen901
10.12.4 Trench-Diode nach dem MCD-Prinzip905
10.12.5 Trench-Double-Zelle (TD-IGBT)906
10.12.6 Trench-MOS-Thyristor-Zelle (TMCT)907
10.13 Smart-Power-ICs909
10.13.1 Isolationstechniken909
10.13.1.1 Dielektrische Isolation910
10.13.1.2 Selbstisolation (implizite Isolation)910
10.13.1.3 Sperrschichtenisolation910
10.13.2 Integrierte Leistungsbauelemente911
10.13.2.1 Vertikal- und Horizontalstrukturen911
10.13.2.2 Multipower-BCD912
10.13.3 Schutzschaltungen913
10.13.3.1 Übertemperatur913
10.13.3.2 Kurzschlüsse913
10.13.3.2.1 Kurzschluß des Ausganges gegen die Versorgung bzw. Masse914
10.13.3.2.2 Kurzschluß der Versorgungsspannung915
10.13.3.2.3 Kurzschluß der Last915
10.13.3.2.4 Schutzmaßnahmen gegen Überstrom915
10.13.3.3 Unterbrechungen916
10.13.3.4 Verlustleistungsbegrenzung917
10.13.4 Ansteuerschaltungen für Power-MOSFETs918
10.13.4.1 Ansteuerschaltungen für Low-Side-Schalter918
10.13.4.2 Ansteuerschaltungen für High-Side-Schalter918
10.13.4.2.1 Bootstraptechnik919
10.13.4.2.2 Ladungspumpe920
10.13.5 Selbstdiagnoseeinrichtungen920
10.13.5.1 Schnittstellen921
10.13.5.1.1 Analoge Schnittstellen921
10.13.5.1.2 Digitale Schnittstellen921
10.13.5.1.3 CAN (Controller Area Network)921
10.13.6 Anwendungen922
10.13.6.1 TOPFET922
10.13.6.1.1 ESD-Schutz922
10.13.6.1.2 Überspannungsschutz922
10.13.6.1.3 Übertemperaturausschaltung923
10.13.6.1.4 Kurzschlußschutz923
10.13.6.1.5 Gateansteuerung923
10.13.6.1.6 Schaltgeschwindigkeit923
10.13.6.2 TOPFET mit fünf Anschlüssen924
10.13.6.3 HITFET924
10.13.6.4 Super-Smart-Power-IC L9942925
10.13.6.4.1 Leistungsteil925
10.13.6.4.2 Mikrocontroller925
10.13.6.4.3 Spannungsversorgung und Einsatzgebiet925
10.14 Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen926
10.14.1 Einleitung926
10.14.2 IEGT (Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor)927
10.14.2.1 Allgemeines927
10.14.2.2 Aufbau und Wirkungsweise927
10.14.3 CSTBT (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor)929
10.14.3.1 Allgemeines929
10.14.3.2 Aufbau und Wirkungsweise929
10.14.4 n-MCT mit Pufferschichte und Anodenemitter-Kurzschlüssen930
10.14.4.1 Allgemeines930
10.14.4.2 Aufbau931
10.14.4.2.1 Anodenstruktur931
10.14.4.2.2 Kathodenstruktur931
10.14.4.3 Charakteristische Eigenschaften932
10.14.5 DG-MCT (Dual-Gate MOS-Controlled Thyristor)932
10.14.5.1 Allgemeines932
10.14.5.2 Aufbau und Wirkungsweise933
10.14.6 IGTT (IGBT Mode Turn-Off Thyristor)934
10.14.6.1 Allgemeines934
10.14.6.2 Aufbau und Wirkungsweise935
10.14.7 DGMOS der zweiten Generation (2nd-Generation Dual-Gate MOS Thyristor)936
10.14.7.1 Allgemeines936
10.14.7.2 Aufbau und Wirkungsweise936
10.14.8 EST (Emitter-Switched Thyristor)937
10.14.8.1 Allgemeines937
10.14.8.2 Funktionsweise938
10.14.9 BRT (Base-Resistance-Controlled Thyristor)939
10.14.9.1 Allgemeines939
10.14.9.2 Aufbau und Wirkungsweise940
10.14.10 Überblick über die Feldeffekttransistoren und spezielle MOSFET-Transistoren941
10.14.10.1 Allgemeines zu den Feldeffekttransistoren und deren Klassifikation941
10.14.10.2 VMOS (V-groove MOS)945
10.14.10.3 DMOS (Double-Diffused-MOS)946
10.14.10.3.1 Allgemeines zum DMOS946
10.14.10.3.2 Funktion und Wirkungsweise947
10.14.10.4 LDMOS (Lateral-Double-Diffused-MOS)948
10.14.10.5 UMOS (U-groove MOS)949
10.14.11 BiCMOS (Bipolar CMOS)949
10.14.12 Weitere Bauelementstrukturen und neue Entwicklungen953
10.14.12.1 Weitere Strukturen953
10.14.12.2 Neuere Entwicklungen954
10.14.12.2.1 Neue Materialien – Siliziumkarbid954
10.14.12.2.2 Neue Bauelementestrukturen954
10.15 Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen955
10.15.1 Allgemeines955
10.15.2 IGBT – Kennwerte und Bezeichnungen957
10.15.3 GTO – Kennwerte und Bezeichnungen960
10.15.4 MOSFET – Kennwerte und Bezeichnungen962
10.16 Literatur965
11. Strukturen der Schaltnetzteile972
11.1 Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung972
11.1.1 Allgemeines972
11.1.2 Überblick über Strukturen und Funktionen973
11.1.2.1 Struktur eines Schaltnetzteiles973
11.1.2.2 Resonanzwandler im Vergleich mit Rechteckwandlern976
11.1.2.3 Strukturvergleich Schaltnetzteile mit linearen Netzteilen979
11.1.3 Grundtopologien984
11.1.3.1 DC–DC-Wandler ohne galvanische Trennung (sekundärseitig getastete Schaltnetzteile)984
11.1.3.2 DC–DC-Wandler mit Potentialtrennung (primärseitig getastete Schaltnetzteile)986
11.1.4 Arbeitsweisen (diskontinuierliche und kontinuierliche Drosselströme bzw. lückender und nichtlückender Betrieb)989
11.1.4.1 Lückender Betrieb (= Dreieckbetrieb oder diskontinuierlicher Betrieb)989
11.1.4.2 Nichtlückender Betrieb (= Trapezbetrieb oder kontinuierlicher Betrieb)991
11.1.4.3 Allgemeine Prinzipien zur Schaltungsanalyse992
11.1.5 DC–DC-Wandler 1. Ordnung993
11.1.5.1 Buck-Konverter (Tiefsetzsteller)993
11.1.5.2 Boost-Konverter (Hochsetzsteller)999
11.1.5.3 Buck-Boost-Konverter (Spannungsinverter)1008
11.1.6 Weitere Strukturen1012
11.1.6.1 C´uk-Konverter1012
11.1.6.2 Weitere Strukturen höherer Ordnung1019
11.2 Potentialgetrennte Wandler1019
11.2.1 Eintaktschaltungen1020
11.2.1.1 Sperrwandler (sowie Vergleich mit dem Boost-Wandler)1020
11.2.1.1.1 Trapezbetrieb (nichtlückend), 1. und 2. Steuerungsgesetz sowie allgemeineDefinitionen der Steuerungsgesetze1025
11.2.1.1.2 Grenzfall: Übergang vom Trapez- auf den nichtlückenden Dreieckbetrieb und Dimensionierung der Induktivitäten1028
11.2.1.1.3 Dreieckbetrieb (lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz U2 = f1(I2,D) bzw. U2 = f2(D,U1)1034
11.2.1.1.4 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien(1. Steuerungsgesetz U2 = f1(I2,D))1036
11.2.1.1.5 Steuerungskennlinien (3. Steuerungsgesetz D = f3(I2,U1))1037
11.2.1.1.7 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb beim Boostwandler und Vergleich mit dem Buck-Boost-Wandler1044
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-Konvertern1045
11.2.1.2 Eintakt-Durchflußwandler1048
11.2.1.2.1 Trapezbetrieb (= nichtlückender Betrieb)1053
11.2.1.2.2 Dreieckbetrieb (= lückender Betrieb) sowie 1. und 2. Steuerungsgesetz (UNorm = f1Norm(INorm,D) und U2 = f2(D,U1))1055
11.2.1.2.3 Grenzkurve zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb und Ausgangskennlinien UNorm(INorm,D) zum 1. Steuergesetz UNorm = f1Norm(INorm,D)1059
11.2.1.2.4 Laständerung, Grenzkurve und Steuerungskennlinie D(ILa,Ui) (3. SteuerungsgesetzD = f3(I2,U1))1061
11.2.1.3 Asymmetrischer Halbbrücken-Durchflußwandler1062
11.2.1.4 Doppel-Durchflußwandler1063
11.2.2 Gegentaktschaltungen1066
11.2.2.1 Parallelgespeister Gegentakt-Durchflußwandler1066
11.2.2.2 Seriengespeiste Gegentakt-Durchflußwandler1069
11.2.2.2.1 (Symmetrischer) Halbbrücken-Durchflußwandler1069
11.2.2.2.2 Vollbrücken-Durchflußwandler1070
11.2.2.3 Wandler mit eingeprägtem Eingangsstrom1071
11.3 Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung1071
11.3.1 Allgemeines1071
11.3.2 Quasiresonanter Gegentaktkonverter1073
11.3.2.1 Schaltungsberechnung1073
11.3.2.2 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten ZCS-(Lee-)Konverter1079
11.3.3 SEPIC(-Konverter) mit harter Schalttechnik1082
11.3.3.1 Einführung1082
11.3.3.2 Funktionsprinzip1083
11.3.3.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1085
11.3.3.4 Mittelwerte und Steuerungsgesetz1086
11.3.3.5 Schaltungsvariante1087
11.3.4 Quasiresonanter SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik1088
11.3.4.1 Einführung1088
11.3.4.2 Funktionsprinzip der ZVS-Technik1088
11.3.4.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1089
11.3.4.4 Steuerungsgesetz1092
11.3.4.5 Genaue Ermittlung des Tastverhältnisses1094
11.3.4.6 Schaltungsvarianten1095
11.3.4.7 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik1096
11.3.5 Zeta-Konverter mit harter Schalttechnik1097
11.3.5.1 Einführung1097
11.3.5.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1098
11.3.5.3 Mittelwerte und Steuerungsgesetz1100
11.3.6 Quasiresonanter Zeta-Konverter mit ZVS-Technik1102
11.3.6.1 Einführung1102
11.3.6.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1102
11.3.6.3 Steuerungsgesetz1107
11.3.6.4 Schaltungsvarianten1108
11.3.6.5 u-Zi-Diagramm für einen quasiresonanten Zeta-Konverter1108
11.4 Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen1110
11.4.1 Tabellen und Tafeln zu den Strukturen aus 11.1 bis 11.31110
11.4.2 Weitere Konvertertopologien erster Ordnung1116
11.4.2.1 Boost-Konverter mit Potentialtrennung1116
11.4.2.2 SMART-Konverter1116
11.4.3 Konvertertopologien höherer Ordnung (Vergleich)1119
11.4.3.1 Allgemeines1119
11.4.3.2 C´uk-Konverter1120
11.4.3.3 SEPIC(-Konverter)1122
11.4.3.4 Zeta-Konverter1124
11.4.3.5 Doppelinverter1128
11.4.3.6 Buck / Boost-Konverter mit einem induktiven Bauelement und zwei Schaltern1130
11.4.3.7 Zusammenfassung1131
11.5 Resonante, Quasi- und Pseudoresonante Schaltungen1132
11.5.1 Allgemeines1132
11.5.2 Typische Beispiele für ZCS1134
11.5.2.1 Allgemeines1134
11.5.2.2 Anwendungsbeispiel: Quasiresonante Tiefsetzstellerstruktur1135
11.5.2.3 Pseudoresonante ZCS-Anwendung1139
11.5.3 Typische Beispiele für ZVS1144
11.5.3.1 Allgemeines1144
11.5.3.2 Hochsetzsteller mit praktisch verlustloser Ein- und verlustarmer Ausschaltung des Hauptschalters (pseudoresonantes ZVS)1145
11.5.3.3 Hochsetzsteller mit pseudoresonantem ZVS (praktisch verlustlosemEinschalten) und verlustarmer Ausschaltung von Haupt- und Hilfsschalter1149
11.5.4 Allgemeines zu Pseudoresonanz (Soft Switching) und Active Clamping1154
11.5.5 Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler mit galvanischer Trennung1157
11.5.5.1 Funktionsweise1160
11.5.5.2 Spannungsbelastung der FETs1164
11.5.5.3 Dynamisches Verhalten1169
11.5.5.4 Stationärer Betrieb1171
11.5.5.5 Beispiele für zeitliche Verläufe1173
11.5.5.6 Vorteile von Soft Switching (und Active Clamping*)1178
11.5.5.7 Nachteile von Soft Switching (und Active Clamping)1180
11.5.6 Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler ohne galvanische Trennung1181
11.5.6.1 Allgemeines1181
11.5.6.2 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Hochsetzsteller1182
11.5.6.2.1 Ablauf einer Schaltperiode1182
11.5.6.2.2 Strom- und Spannungsverläufe während der Netz- und Schaltperiode1187
11.5.6.2.3 Vorteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz)1188
11.5.6.2.4 Nachteile des Soft Switchings (der Pseudoresonanz)1188
11.5.6.2.5 Vereinfachte (passive) Funktionsweise für Hochsetzsteller (passives Soft Switching)1188
11.5.6.2.6 Ablauf einer Schaltperiode1189
11.5.6.2.7 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode1191
11.5.6.2.8 Vorteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings1191
11.5.6.2.9 Nachteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings1192
11.5.6.3 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Tiefsetzsteller1192
11.5.6.3.1 Ablauf einer Schaltperiode1193
11.5.6.3.2 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode1196
11.5.6.3.3 Vorteile1196
11.5.6.3.4 Nachteile1197
11.5.7 Zusammenfassung1197
11.6 Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik1199
11.6.1 Einleitung1199
11.6.2 Aktive Bauelemente1200
11.6.2.1 Leistungshalbleiter (Transistoren)1200
11.6.2.2 Steuerbausteine1209
11.6.2.3 ASIC-Entwicklung1212
11.6.2.3.1 Allgemeines1212
11.6.2.3.2 Beispiel eines primärseitigen ASICs1214
11.6.2.3.3 Beispiel eines sekundärseitigen ASICs1217
11.6.2.3.4 Regelungsmethoden1218
11.6.3 Passive Bauelemente1220
11.6.3.1 Übertrager1220
11.6.3.2 Drosseln (Speicherdrosseln)1230
11.6.3.3 Kondensatoren1232
11.6.4 Regler1233
11.6.5 Fertigungsaspekte1235
11.6.6 Spezielle Anforderungen auf Grund von Normenänderungen1236
11.6.7 Weitere Ausblicke und Trends1237
11.7 Praktische Aspekte1238
11.7.1 Einfluß der Wicklungskapazität auf Spannungsform und Schaltverhalten1238
11.7.1.1 Einfluß der Schaltungsanordnung auf die effektive Wicklungskapazität1238
11.7.1.2 Kuppeleffekt1240
11.7.2 Auswirkungen von Streuinduktivitäten in Schaltnetzteilen1244
11.7.2.1 Allgemeines1244
11.7.2.2 Schaltungsbeispiel Durchflußwandler1245
11.7.2.2.1 Betrieb ohne Streuinduktivität1246
11.7.2.2.2 Effekte der Streuinduktivität bei einfachem Ausgang1247
11.7.2.2.3 Auswirkungen auf die Kreuzregelung bei mehreren Ausgängen1249
11.7.3 Verluste bei nichtidealen Schaltnetzteilen1259
11.8 Literatur1261
12. Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen1264
12.1 Regelungskonzepte für Schaltnetzteile1264
12.1.1 Grundlagen1264
12.1.2 Regelung von Schaltnetzteilen – Überblick1268
12.1.2.1 Allgemeines1268
12.1.2.2 Direkte Regelung des Tastverhältnisses D (DDC)1269
12.1.2.3 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC)1271
12.1.2.4 Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC) und Slope-Kompensation1273
12.1.2.4.1 Allgemeines zur Stromregelung1273
12.1.2.4.2 Spezielle Probleme der Spitzenwert-Stromregelung1280
12.1.2.4.3 Subharmonische Schwingneigung1288
12.1.2.4.4 Strommittelwerte, Stromrippel und Topologievergleich1294
12.1.2.5 Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC)1299
12.1.2.6 Vergleich der Stabilität von Spitzenwert- und Mittelwert-Stromregelung1302
12.1.3 Regelungskonzepte am Beispiel des Buck-Konverters im nichtlückenden Betrieb1303
12.1.3.1 Allgemeines1303
12.1.3.2 Direkte Regelung des Tastverhältnisses D (DDC)1307
12.1.3.2.1 Der Regelkreis und seine Komponenten1307
12.1.3.2.2 Regelschleife und Regelkreis1314
12.1.3.2.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers)1316
12.1.3.3 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC)1325
12.1.3.3.1 Der Regelkreis und seine Komponenten1325
12.1.3.3.2 Regelschleife und Regelkreis1327
12.1.3.3.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers)1328
12.1.3.4 Spitzenwert-Stromregelung (SW-CMC)1332
12.1.3.4.1 Der Regelkreis und seine Komponenten1332
12.1.3.4.2 Regelschleife und Regelkreis1338
12.1.3.4.3 Zahlenbeispiel (Dimensionierung des Spannungsreglers)1339
12.1.3.5 Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC)1345
12.1.3.5.1 Der innere (Strom-)Regelkreis und seine Komponenten1345
12.1.3.5.2 Innere Regelschleife und Stromregelkreis1348
12.1.3.5.3 Zahlenbeispiel1355
12.1.3.5.4 Äußerer (Spannungs-)Regelkreis und seine Komponenten1361
12.1.3.5.5 Äußere Regelschleife und Spannungsregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis1364
12.1.3.5.6 Zahlenbeispiel [Dimensionierung des (äußeren) Spannungsreglers]1367
12.1.4 Übertragungsfunktionen – Überblick1371
12.1.4.1 Direkte Tastverhältnisregelung1372
12.1.4.1.1 Nichtlückender (= kontinuierlicher) Strom1372
12.1.4.1.2 Lückender (= diskontinuierlicher) Strom1372
12.1.4.2 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen1372
12.1.4.2.1 Nichtlückender Strom1372
12.1.4.2.2 Lückender Strom1373
12.1.4.3 Stromregelung1373
12.1.4.3.1 Spitzenwert-Stromregelung1373
12.1.4.3.2 Mittelwert-Stromregelung1375
12.1.4.4 Regler-ICs (SNT-ICs)1378
12.1.5 Anhang1378
12.1.5.1 MATLAB1378
12.1.5.2 ANA1380
12.2 Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile1380
12.2.1 Allgemeines1380
12.2.2 Übertragungsfunktionen des Buck-Konverters1381
12.2.2.1 Kontinuierlicher Betrieb1381
12.2.2.2 Diskontinuierlicher Betrieb1385
12.2.2.2.1 Gleichgrößen (Gleichungen des statischen Zustandes)1385
12.2.2.2.2 Wechselgrößen (Gleichungen für stationäre Vorgänge)1389
12.2.3 Ersatzschaltbild und stationäre Übertragungsfunktion des SEPIC(-Konverters) für nichtlückenden Betrieb1397
12.2.4 Übertragungsfunktionen der sechs Grundtypen1402
12.2.5 Anmerkungen zu Tafel 12.11406
12.2.5.1 Allgemeines1406
12.2.5.2 Prinzipielles zur Formulierung von Steuerungsgesetzen1410
12.2.5.3 Ergänzende Erläuterungen zu den Regelungsmethoden1410
12.2.5.3.1 Direct Duty Cycle Control (DDC)1410
12.2.5.3.2 Voltage Feedforward Control (VFC)1410
12.2.5.3.3 Current Mode Control (CMC, Stromregelung)1411
12.2.5.3.4 Stromregelung im lückenden Betrieb am Beispiel des Buck-Boost-Konverters (mit Vergleich zu Buck- und Boost-Konverter)1412
12.2.5.3.5 Mittelwert-Stromregelung im nichtlückenden Betrieb für den Buck-Boost-Konverter1420
12.2.6 Zusammenfassung1423
12.3 Boost-Konverter – Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen1424
12.3.1 Nichtlückender Betrieb1424
12.3.1.1 Statisches und stationäres Verhalten1424
12.3.1.2 Kleinsignalübertragungsfunktionen (stationäres Verhalten)1428
12.3.1.3 Schaltungssimulation1434
12.3.1.4 Vergleich der Kleinsignalübertragungsfunktionen mit der Literatur1436
12.3.1.5 Linearisierung der statischen Steuerkennlinie1446
12.3.1.6 Mathematische Analyse der Übertragungsfunktion GU2D(s)1450
12.3.1.7 Regelung des Boost-Konverters1453
12.3.1.7.1 Direkte Regelung des Tastverhältnisses1455
12.3.1.7.2 Mittelwert-Stromregelung für nichtlückenden Betrieb1465
12.3.1.7.3 Eingangsstromregelung (beim Boost-Konverter, Anwendung für PFC)1470
12.3.2 Lückender Betrieb1472
12.3.2.1 Kleinsignalübertragungsfunktionen1472
12.3.2.2 Mittelwert-Stromregelung für den diskontinuierlichen Betrieb1482
12.3.3 Betriebsbereiche1485
12.4 Buck-Boost (Flyback-)Konverter – Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte1488
12.4.1 Allgemeines1488
12.4.2 Regelungskonzepte und Übertragungsfunktionen (für nichtlückenden Betrieb) am Beispiel des Buck-Boost-Konverters1490
12.4.2.1 Übertragungsfunktionen für die direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC)1491
12.4.2.2 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen (VFC)1494
12.4.2.3 Übertragungsfunktionen für die Stromregelung1494
12.4.2.3.1 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Ausgangsstromes1495
12.4.2.3.2 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Eingangsstromes (beim Buck-Boost-Konverter, Anwendung für PFC)1496
12.4.3 Regler1498
12.4.3.1 PT1-Regler („Typ 1“)1498
12.4.3.2 PD2T3-Regler („Typ 2“)1500
12.4.3.3 Anwendungsbereiche der beiden Reglerstrukturen1505
12.4.3.4 Stromregelung (= Current Mode Control, CMC) – Ergänzungen1506
12.4.3.4.1 Slope-Kompensation1506
12.4.3.4.2 Mittelwert-(MW-) und Spitzenwert-(SW-)Stromregelung1507
12.4.4 Dimensionierungsbeispiele1507
12.4.4.1 Nichtlückender Betrieb, direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC)1508
12.4.4.1.1 Regelstrecke1508
12.4.4.1.2 Reglerdimensionierung1512
12.4.4.2 Lückender Betrieb, Stromregelung1516
12.4.4.2.1 Regelstrecke1518
12.4.4.2.2 Reglerdimensionierung1521
12.5 Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen1522
12.5.1 Funktion von SEPIC-Konvertern mit gekoppelten Spulen1522
12.5.1.1 Schaltung1522
12.5.1.2 Funktionsweise1523
12.5.1.3 Wirkung der gekoppelten Spulen1524
12.5.1.4 Prinzipielles zur Regelung1525
12.5.1.5 Messung des Schalterstromes1526
12.5.1.6 Eingangsstrombegrenzung1526
12.5.1.7 Zero-Voltage Transition1528
12.5.1.7.1 Ausschaltverluste1528
12.5.1.7.2 Einschaltverluste1528
12.5.1.7.3 Reduktion der Verluste1528
12.5.2 Mögliche Reglerauslegung1529
12.5.2.1 SEPIC-Übertragungsfunktion1529
12.5.2.2 Stromregler1530
12.5.2.3 Überlagerter Spannungsregler1539
12.5.2.4 Direkte Spannungsregelung1540
12.5.3 Analyse der SEPIC(-Konverter)-Stromregelschleife1540
12.6 Regelung von Schaltnetzteilen – Ergänzungen und Beispiele1554
12.6.1 Beispiele einfacher Übertragungsfunktionen und Bodediagramme1555
12.6.1.1 Grundsätzliches zur Bezeichnungsweise1555
12.6.1.2 Schaltkreise erster Ordnung1557
12.6.1.2.1 Tiefpaß (Polstelle in der linken Halbebene)1557
12.6.1.2.2 PD-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene)1558
12.6.1.2.3 PI-Glied (Nullstelle in der linken Halbebene)1558
12.6.1.2.4 Nullstellen in der rechten Halbebene (RHP-Zero)1559
12.6.1.3 Schaltkreise zweiter Ordnung1563
12.6.2 Analyse der Stabilität1568
12.6.2.1 Allgemeines1568
12.6.2.2 Regelung1568
12.6.2.3 Übertragungsfunktion1569
12.6.2.4 Stabilität1569
12.6.3 Beispiele für Übertragungsfunktionen und Regelung von Schaltnetzteilen1570
12.6.3.1 Einführung1570
12.6.3.2 Leistungskreis und Filter (T3(s))1570
12.6.3.2.1 Allgemeines1570
12.6.3.2.2 Buck-Konverter im Trapezmodus1574
12.6.3.2.3 Buck-Boost-Konverter im Dreieckmodus1574
12.6.3.3 PWM-Modulator (T2(s))1577
12.6.3.3.1 Modulator mit direkter Regelung des Tastverhältnisses1577
12.6.3.3.2 Modulator mit Tastverhältnisregelung und Vorsteuerung (Aufschaltung der Eingangsspannung, Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen)1577
12.6.3.3.3 Modulator mit unterlagerter Stromregelung1578
12.6.3.4 Regler (T1(s))1582
12.6.3.4.1 Strukturen1582
12.6.3.4.2 Anwendungsbereiche1586
12.6.3.4.3 Maximale Durchtrittsfrequenz fD,max1588
12.6.3.5 Rechenbeispiele1595
12.6.3.5.1 Buck-Boost-Konverter im lückenden Betrieb1595
12.6.3.5.2 Buck-Konverter im nichtlückenden Betrieb1598
12.6.4 Betragsanschmiegung – Reglerauslegung nach dem Betragsoptimum und dem Symmetrischen Optimum1599
12.6.4.1 Allgemeines1599
12.6.4.2 Optimierungsgleichungen1601
12.6.4.3 Betragsoptimum1602
12.6.4.4 Symmetrisches Optimum1606
12.6.5 Störungsrechnung1610
12.7 Steuer- und Regelschaltungen für Schaltnetzteile (SNTs)1612
12.7.1 Grundlagen1612
12.7.1.1 Steuer- und Regelschaltung auf der Primärseite1613
12.7.1.1.1 Durchflußwandler1613
12.7.1.1.2 Sperrwandler1614
12.7.1.1.3 Übertragung der Ausgangsspannung mit einem Hilfswandler1614
12.7.1.2 Steuer- und Regelschaltung auf der Sekundärseite1616
12.7.1.3 Aufgeteilte Steuer- und Regelschaltung1617
12.7.2 Die integrierten Steuerbausteine der Familien TDA 47xx und TDA 49xx1619
12.7.2.1 Integrierte Steuerschaltungen der Reihe TDA 47xx1619
12.7.2.1.1 Allgemeines1619
12.7.2.1.2 Schaltungsbeschreibung1620
12.7.2.1.3 Impulsdiagramm und Erklärung der Zeitverläufe1624
12.7.2.1.4 Dimensionierung der IC-Beschaltung1628
12.7.2.2 Anwendungsbeispiel eines TDA 47181631
12.7.2.3 Anwendungen des Steuer-ICs TDA 4718 zur Stromregelung1632
12.7.2.4 Integrierte Steuerschaltung TDA 49xx1634
12.8 Neuere Regelungs-ICs für Schaltnetzteile1634
12.8.1 Entwicklungsgeschichte1634
12.8.2 Regelung mittels Voltage Mode Control1635
12.8.3 Regelung von Schaltnetzteilen mittels Spitzenwert-Stromregelung1642
12.8.4 Beschreibung des UC38421643
12.8.5 Der verbesserte Baustein UCC38001649
12.8.6 Bauteile für Mittelwert-Stromregelung und PFC1652
12.9 Praktische Aspekte – Verbesserung der Kreuzregelung1652
12.9.1 Einleitung1652
12.9.2 Schaltungsanalyse mit unabhängigen Spulen1653
12.9.3 Verwendung gekoppelter Filterspulen1654
12.9.3.1 Wirkungsprinzip1654
12.9.3.2 Vorteile der Kopplung1662
12.9.3.3 Analyse mit äquivalentem Schaltkreis1663
12.9.3.4 Steuerung des Stromrippels1665
12.9.3.5 Schließen der Regelschleife1666
12.10 Literatur1666
13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen1700
13.1 Gleichstromsteller1700
13.1.1 MGD/GTO-Gleichstromsteller – Allgemeines1700
13.1.2 Beschaltungen für MGDs /GTOs in Gleichstromstellerschaltungen1701
13.1.2.1 Standard-RCD-Beschaltung1702
13.1.2.2 Verlustarme LCD-Beschaltung1708
13.2 Wechselrichter1719
13.2.1 Allgemeines1719
13.2.2 Beschaltung von Ventilen in Wechselrichterschaltungen1720
13.2.2.1 Wechselrichter mit RCD-Beschaltung1721
13.2.2.1.1 Ausschalten eines Ventils1722
13.2.2.1.2 Einschalten eines Ventils1724
13.2.2.2 Symmetrische Wechselrichterbeschaltung (nach McMurray)1727
13.2.2.3 Unsymmetrische Wechselrichterbeschaltung1731
13.3 Zusammenfassung1740
13.4 Literatur1740
14. Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen1742
14.1 Allgemeines1742
14.2 Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen1743
14.2.1 Leistungskreise1743
14.2.1.1 Einführung1743
14.2.1.2 Gleichrichter mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (Boost-Konverter)1747
14.2.1.2.1 Hochsetzsteller ohne Potentialtrennung1747
14.2.1.3 Nachgeschalteter Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)1749
14.2.1.4 Nachgeschalteter Spannungsinverter (Buck-Boost-Konverter)1752
14.2.2 Regelungskonzepte für einphasige netzrückwirkungsarme Gleichrichterstrukturen1756
14.2.2.1 Bestimmung der Einschaltdauer mit Hilfe eines Rampengenerators unddes Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze)1756
14.2.2.2 Bestimmung der Einschaltdauer über Spitzenwert-Stromregelung unddes Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze)1762
14.2.2.3 Bestimmung der Einschaltdauer durch Mittelwert-Stromregelung unddes Einschaltzeitpunktes über feste Taktperiode (nichtlückender Betrieb)1764
14.3 Dreiphasige (Puls-)Gleichrichterschaltungen mit geringen Netzrückwirkungen1777
14.3.1 Übersicht1777
14.3.1.1 Diodenbrückenschaltung mit (auf Gleichstromseite) nachgeschaltetem Hochsetzsteller1778
14.3.1.2 Diodenbrücke und Hochsetzstellerstruktur mit Induktivitäten auf der Wechselstromseite1779
14.3.1.3 Hochsetzstellerstruktur mit sechs abschaltbaren Leistungshalbleitern(mit Energierückspeisung)1779
14.3.1.4 Hochsetzstellerstruktur mit drei netzseitigen Induktivitäten und dreibidirektionalen abschaltbaren Halbleiterschaltern (ohne Energierückspeisung)1780
14.3.2 Genauere Beschreibung der Leistungskreise und Steuerungen1781
14.3.2.1 Diodenbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (auf Gleichstromseite)1781
14.3.2.2 Diodenbrückenschaltung und Hochsetzsteller mit netzseitigen Induktivitäten1784
14.3.2.3 Struktur mit drei bzw. sechs (abschaltbaren) Leistungsschaltern1788
14.4 Vienna Rectifier1789
14.4.1 Vienna Rectifier I1790
14.4.2 Vienna Rectifier II1801
14.4.3 Zusammenfassung1820
14.5 Analyse der dreiphasigen AC–DC-Pulsumrichter –Raumzeigerdarstellungen, Grund- und Oberschwingungen1821
14.5.1 Allgemeines1821
14.5.2 Umrichterspannung – makroskopische Betrachtung1822
14.5.3 Systembeschreibung über Raumzeiger1826
14.5.4 Umrichterspannung – mikroskopische Betrachtung1828
14.5.5 Ausgangsspannung und Oberschwingungen bei Pulsbetrieb1829
14.5.6 Aufspaltung des Freilaufzustandes1834
14.5.7 Erhöhung des Aussteuerbereiches1839
14.5.8 Raumzeigermodulation1843
14.5.9 Raumzeiger für Dreiniveausysteme1849
14.6 Sieb- und Gleichrichterschaltungen1853
14.6.1 Gleichrichterschaltungen1853
14.6.1.1 Grundtypen von Gleichrichterschaltungen1853
14.6.1.1.1 Halbwellengleichrichter (Einweggleichrichter)1853
14.6.1.1.2 Zweiweggleichrichter1855
14.6.1.1.3 Brückengleichrichter1855
14.6.2 Siebschaltungen – Allgemeines1857
14.6.2.1 Strom- und Spannungskomponenten1857
14.6.2.2 Grundfrequenzen der Brummgrößen1858
14.6.2.3 Berechnungsgrundlagen für die Brummspannung1859
14.6.2.4 Frequenzkomponenten der Brummspannung1860
14.6.2.5 Kenngrößen von Siebschaltungen1860
14.6.2.6 Vierpoleigenschaften1861
14.6.2.7 Siebschaltungen bei zeitlich wechselnder Last1863
14.6.3 Siebschaltungen – Spezielle Ausführungsformen1863
14.6.3.1 Tiefpaß-L–C-Ketten1863
14.6.3.2 L–C-Siebketten-Dimensionierung1865
14.6.3.3 Tiefpaß-R–C-Ketten1869
14.6.3.4 Frequenzsperren1870
14.6.3.5 R–C-Frequenzsperren (Doppel-T-Glieder)1872
14.6.3.6 Elektronische (aktive) Filter1873
14.7 Methoden für die Stromrippelminimierung1880
14.7.1 C´uk-Konverter mit gekoppelten Spulen1880
14.7.1.1 Umformung der Struktur1880
14.7.1.2 Filterwirkung und Rippelunterdrückung1883
14.7.1.3 Erklärung der Rippelunterdrückung anhand des Superpositionsprinzips1884
14.7.2 Hochsetzsteller mit reduziertem Eingangsstromrippel1885
14.7.2.1 Schaltkreisanalyse1885
14.7.2.2 Vor- und Nachteile der Realisierungsvarianten eines Hochsetzstellers mit reduziertem Rippel1887
14.7.3 Cuk-Konverter mit reduziertem Rippel ohne gekoppelte Spulen1888
14.7.3.1 Cuk-Konvertertopologien „ohne“ Stromrippel1888
14.7.3.2 Einfluß eines Spannungsrippels am Koppelkondensator auf den Stromrippel1888
14.7.3.3 Vor- und Nachteile der Cuk-Konverter mit reduziertem Stromrippel1892
14.7.4 Buck- und Boostkonverter mit integriertem Filter1892
14.7.5 SEPIC(-Konverter) mit reduziertem Eingangsstromrippel1893
14.8 Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen1896
14.9 Literatur1899
15. Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele1904
15.1 Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung1904
15.1.1 Allgemeines und Anwendungsgebiete1904
15.1.2 Kernmaterialien und Kernformen1904
15.1.2.1 Allgemeines1904
15.1.2.2 Formen des Magnetismus1905
15.1.2.2.1 Ferromagnetische Metalle1905
15.1.2.2.2 Diamagnetische Materialien1907
15.1.2.2.3 Paramagnetische Materialien1907
15.1.2.2.4 Antiferromagnetismus1907
15.1.2.2.5 Ferrimagnetismus1907
15.1.2.2.6 Metamagnetismus1907
15.1.2.3 Materialstrukturen und Kerntypen1908
15.1.2.3.1 Kristalline und amorphe Metalle (Verbindungen)1908
15.1.2.3.2 Ferritkerne1908
15.1.2.3.3 Pulverkerne1909
15.1.2.3.4 Eisenkerne1910
15.1.2.4 Zusammenfassung1910
15.1.3 Isolier-, Verguß- und Lötwerkstoffe1910
15.1.4 Wickeldrähte für Transformator- und Spulenwicklungen1913
15.1.5 Dimensionierung von Transformatoren und weiteren Bauelementen1913
15.1.5.1 Beispiel: Dimensionierung eines 45 W-Sperrwandlers1913
15.1.5.1.1 Grundlegende Bemerkungen zur Schaltung1914
15.1.5.1.2 Betriebsart1914
15.1.5.1.3 Festlegung des Übersetzungsverhältnisses1915
15.1.5.1.4 Berechnung der Hauptinduktivität1917
15.1.5.1.5 Transformatorberechnung1920
15.1.5.1.6 Transistorspitzenstrom1932
15.1.5.1.7 Tastverhältnis1933
15.1.5.1.8 Diodenspitzenstrom1934
15.1.5.1.9 Leitverluste bei Bipolartransistoren1934
15.1.5.1.10 Leitverluste bei MOS-Transistoren1935
15.1.5.1.11 Diodenverluste1936
15.1.5.1.12 Ausgangskondensator1940
15.1.5.2 Beispiel: Dimensionierung eines Durchflußwandlers1942
15.1.5.2.1 Dimensionierung von Gleichrichter und Siebkondensator1942
15.1.5.2.2 Versorgung der Steuerschaltung1944
15.1.5.2.3 Dimensionierung der Steuerschaltung1944
15.1.5.2.4 Unter- und Überspannungsüberwachung1947
15.1.5.2.5 Auswahl und Berechnung des Transformators1950
15.1.5.2.6 Berechnung der Drossel1956
15.1.5.2.7 Ausgangskondensator1958
15.1.5.3 Drahttabellen (AWG)1961
15.1.6 Stromverdrängung in Leitern (Skin- und Proximityeffekt)1964
15.1.7 Anwendung der Lagenisolation und spezielle Bauformen1965
15.1.8 Aktive Klemmschaltungen1968
15.1.9 Spulen1968
15.2 Skin- und Proximityeffekte in Transformatorwicklungen1970
15.2.1 Skineffekt1970
15.2.2 Proximityeffekt (Nähewirkung)1974
15.2.2.1 Doppelleitung1974
15.2.2.2 Mehrlagige Wicklung1976
15.2.2.2.1 Verluste bei Folien-(Flachdraht-)Wicklungen (rechteckige Leiter)1976
15.2.2.2.2 Äquivalenzen zwischen Rund- und Flachdraht1987
15.2.2.2.3 Verluste bei Runddrahtwicklungen1990
15.2.2.2.4 Verluste bei nichtsinusförmigen Strömen1990
15.3 Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste1994
15.3.1 Ferrite und Bauformen (Beispiele)1994
15.3.2 Minimierung der Verluste von Schaltnetzteiltransformatoren1999
15.3.2.1 Spannungsgleichung1999
15.3.2.2 Leistungsgleichung2001
15.3.2.3 Wicklungsverluste2002
15.3.2.4 Kernverluste2003
15.3.2.5 Minimierung der Verluste2003
15.4 Leistungsübertrager und Spulen – Entwurf und Dimensionierung2005
15.4.1 Magnetische Kreise für Energieübertragung und Isolation2005
15.4.1.1 Allgemeines2005
15.4.1.2 Bestimmung der Schwankungsbereiche der magnetischen Induktion2008
15.4.1.3 Bestimmung der Kerngröße2009
15.4.1.4 Berechnung der Windungszahlen2014
15.4.2 Magnetische Kreise für Anwendungen mit Gleichstromvormagnetisierun bzw. zur Energiezwischenspeicherung2016
15.4.2.1 Auswahl des Kernmaterials2016
15.4.2.2 Bestimmung der maximalen Flußdichte2018
15.4.2.3 Bestimmung der Kerngröße2018
15.4.2.4 Berechnung der Windungszahl2020
15.4.2.5 Berechnung des Luftspaltes2020
15.4.3 Hinweise zum Entwurf von Wicklungen2022
15.4.3.1 Allgemeines2022
15.4.3.2 Transformatoren mit Teilwindungen2024
15.4.3.2.1 Notwendigkeit von Teilwindungen2024
15.4.3.2.2 Realisierung von Teilwindungen2025
15.5 Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten2031
15.5.1 Allgemeines2031
15.5.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes2031
15.5.3 Berechnung der Streuinduktivität bei konzentrischen Spulen2033
15.5.3.1 Grundsätzliches2033
15.5.3.2 Berechnung auf Basis der magnetischen Energiedichte2038
15.5.3.3 Berechnung über den Fluß2039
15.5.3.4 Verschachtelte Wicklungen2040
15.5.4 Ringkern und Ferritperle2041
15.5.5 Beziehung zwischen Kernparametern, Luftspaltlängen und AL-Werten2043
15.6 Kondensatoren2044
15.6.1 Grundsätzliches zum Aufbau2044
15.6.2 Auswahlkriterien nach Anwendung2047
15.6.3 Zusammenschalten mehrerer Kondensatoren2049
15.6.4 Typische Kennlinien und ihre Bedeutung2050
15.7 Magnetische Materialien und Kondensatoren – Begriffe2055
15.7.1 Magnetbauteile2055
15.7.1.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen2056
15.7.1.2 Allgemeine Bemerkungen2072
15.7.1.2.1 Ferromagnetismus – Weißsche Bezirke2072
15.7.1.2.2 Transformatoren (Übertrager)2073
15.7.1.2.3 Drosseln – Spulen – Induktivitäten2073
15.7.1.2.4 Kerne für induktive Sensoren2073
15.7.1.2.5 Transformatorkernauswahl für Leistungsanwendungen2074
15.7.1.2.6 Kernmaterialien2074
15.7.1.2.7 Kernbezeichnungen2076
15.7.2 Kondensatoren2077
15.7.2.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen2077
15.7.2.2 Neue Entwicklungen: Superkondensatoren2078
15.7.2.2.1 Aufbau2079
15.7.2.2.2 Kenngrößen2079
15.7.2.2.3 Typische Kennwerte2080
15.7.2.2.4 Anwendungen – Einsatzmöglichkeiten2080
15.7.2.3 Weiterführende Literatur2081
15.8 Literatur2081
Anhang 15A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren C und Ki sowie Rhombusdiagramm2084
15A.1 Berechnungsgrundlagen2084
15A.2 (Charakteristische) Faktoren für Transformatoren für typische Schaltungen2090
15A.2.1 Eintaktdurchflußwandler2090
15A.2.2 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung2092
15A.2.3 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung2093
15A.2.4 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung2094
15A.2.5 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung2096
15A.2.6 Sperrwandler2097
15A.3 Ableitungen der Transformatorgleichungen2098
15A.3.1 Sperrwandler2098
15A.3.2 Durchflußwandler und verwandte Strukturen2102
15A.4 Rhombusdiagramm2104
16. Spezielle Methoden und Anwendungen2120
16.1 Überblick und typische Beispiele2120
16.1.1 Allgemeines2120
16.1.2 Stromversorgungen für höhere Leistungen2121
16.1.2.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)2121
16.1.2.2 Pulsgleichrichter bzw. -umrichter2122
16.1.3 Erzeugung von Wechselspannungen mit optimiertem Oberschwingungsgehalt2123
16.1.4 Antriebstechnik2127
16.1.4.1 Gleichstromantriebe2127
16.1.4.1.1 DC-Motor im Zwei- und Vierquadrantenbetrieb2127
16.1.4.1.2 Feldstromversorgung von Gleichstrommaschinen2129
16.1.4.2 Wechselstromantriebe2129
16.1.5 Schaltentlastung und Erzeugung von Gleichspannungen2132
16.1.5.1 Allgemeines2132
16.1.5.2 Gleichspannungs-(DC–DC-)Konverter mit Schaltentlastung2133
16.1.6 Verbesserung des Schaltverhaltens2138
16.1.6.1 Allgemeines2138
16.1.6.2 Hartes Schalten2139
16.1.6.3 ZVS2140
16.1.6.4 ZCS2141
16.1.6.5 Einfluß von Streukapazitäten und -induktivitäten2142
16.1.7 Weitere Anwendungen und Schaltungsaspekte2146
16.1.7.1 Induktionsheizung2146
16.1.7.2 Schweißtechnik2149
16.1.7.3 Ansteuerungsprobleme2149
16.1.7.4 Weitere Anwendungen2150
16.2 Sperrschwingwandler2150
16.2.1 Allgemeines2150
16.2.2 Dimensionierung und Simulation eines konkreten Beispiels2152
16.2.2.1 Dimensionierung2152
16.2.2.2 Ergebnisse der Simulation2154
16.2.2.3 Detaillierte Betrachtung des Umschaltvorgangs zwischen Entlade- und Ladephase2155
16.2.3 Modifizierte Schaltung2156
16.2.3.1 Schaltungsauslegung2156
16.2.3.2 Nachdimensionierung der Schaltung2157
16.2.4 Berücksichtigung einer Streuinduktivität im Ladekreis2159
16.2.4.1 Allgemeines2159
16.2.4.2 Funktion der Transistorschutzschaltung2160
16.2.5 Abhängigkeit der Ausgangsspannung ULa vom Lastwiderstand RLa2165
16.2.6 Modellparameter für PSPICE2167
16.3 Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC2173
16.3.1 Allgemeines2173
16.3.2 Typen von Entladungslampen2173
16.3.3 Aufbau und Betriebsverhalten der Leuchtstoffröhren als Beispiel für Niederdruck-Entladungslampen2174
16.3.4 Ansteuerschaltungen für den Betrieb von Niederdruck-Entladungslampen – Allgemeines2176
16.3.5 Konventionelle Vorschaltgeräte2176
16.3.6 Elektronische Vorschaltgeräte – Allgemeines2177
16.3.7 Schaltungen von Vorschaltgeräten mit Gleichspannungseingang2178
16.3.7.1 Elektronisches Vorschaltgerät mit selbstschwingender Brücke2179
16.3.7.1.1 Allgemeine Erklärung der Schaltungsfunktion und Erläuterungen zur Bauteildimensionierung2179
16.3.7.1.2 Herleitung der Schaltungsstruktur2180
16.3.7.1.3 Anschwingen der Wechselrichterhalbbrücke vor dem Zünden der Lampe2181
16.3.7.1.4 Verhalten nach dem Zünden2181
16.3.7.2 Elektronisches Vorschaltgerät mit integrierter Ansteuerschaltung2187
16.3.7.3 Vorkehrungen zur Optimierung des Netzverhaltens (Aspekte zum Netzverhalten)2190
16.3.8 Ansteuerschaltungen (ICs) für Leuchtstofflampen2191
16.3.8.1 Allgemeines2191
16.3.8.2 PFC-Eingangsstufe2194
16.3.8.3 Vorschaltgerät2197
16.3.8.4 Spannungsversorgungen und Ansteuerfunktionen2202
16.3.8.4.1 Prinzipielle Arbeitsweise2202
16.3.8.4.2 Zusätzliche Funktionen2204
16.3.9 Einstufen-Power-Factor-Correction (PFC) mit regelbarer Ausgangsgleichspannung und Induktivität im Eingangskreis2205
16.3.9.1 Einleitung2205
16.3.9.2 Schaltungsanalyse2206
16.3.9.2.1 Allgemeines2206
16.3.9.2.2 Betriebszustände2207
16.3.9.3 Zusammenfassung2211
16.3.9.3.1 Kondensatorstrom und -spannung2211
16.3.9.3.2 Leitdauer2211
16.3.10 Einstufige Lampenansteuerungen mit integrierter PFC ohne Induktivität im Eingangskreis2212
16.3.10.1 Einführung2212
16.3.10.2 Spannungsquellenprinzip2214
16.3.10.2.1 Allgemeines2214
16.3.10.2.2 PFC-Funktion2216
16.3.10.2.3 Inverterfunktion2221
16.3.10.3 Stromquellenprinzip2226
16.3.10.4 Kombiniertes Strom- und Spannungsquellenprinzip2235
16.3.10.5 Anmerkung zum Betriebsverhalten und zur Dimensionierung2237
16.4 Matrixumrichter2238
16.4.1 Grundidee2238
16.4.1.1 Entwurf und einphasige Last2239
16.4.1.2 Dreiphasige Last2243
16.4.2 Realisierungsmöglichkeiten2246
16.4.2.1 Idealisierte Pulsmuster2246
16.4.2.2 Schaltelemente und Steuerung2249
16.4.3 Versuchsergebnisse2254
16.4.4 Zusammenfassung2254
16.5 Solarkonverter2256
16.5.1 Einleitung2256
16.5.1.1 Historisches und Allgemeines2256
16.5.1.2 Wirkungsgrad und energetische Amortisation2256
16.5.2 Solarzellen2257
16.5.2.1 Aufbau2257
16.5.2.2 Ersatzschaltbilder2258
16.5.2.3 Kennlinien der Solarzelle2260
16.5.2.3.1 Dunkelkennlinie2260
16.5.2.3.2 Kennlinie der bestrahlten Solarzelle2260
16.5.2.4 Arbeitspunkt von Solarzellen2262
16.5.3 Energiespeicher2263
16.5.4 Laderegler2264
16.5.4.1 Serienregler2265
16.5.4.2 Shuntregler2266
16.5.5 Anpaßwandler2266
16.5.6 MPP-Tracker2268
16.5.6.1 Arbeitsprinzipien von MPP-Trackern2269
16.5.6.1.1 Indirekte MPP-Tracker (Vorsteuerung)2269
16.5.6.1.2 Direkte MPP-Tracker (Regelung)2269
16.5.6.2 MPP-Tracker beim Laden von Akkumulatoren2269
16.5.7 Wechselrichter2271
16.5.7.1 Anforderungen2271
16.5.7.2 Konzepte2272
16.5.7.3 Anpassung Solargenerator – Wechselrichter2274
16.5.8 Photovoltaiksysteme2275
16.5.8.1 Autarke Photovoltaikanlagen bzw. Inselsysteme2275
16.5.8.2 Netzgekoppelte Systeme2277
16.5.9 Trends2279
16.5.9.1 Allgemein2279
16.5.9.2 Inselanlagen2279
16.5.9.3 Netzgekoppelte Anlagen2279
16.5.10 Normen und Vorschriften2280
16.5.11 Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen2280
16.5.12 ISO 14000 – Einführung in die Photovoltaikindustrie2282
16.5.12.1 Markante Punkte der Norm ISO 140002283
16.5.12.2 Schlüsselmerkmale der Norm ISO 14001 (parallel zu ISO 9001)2283
16.5.12.3 Wichtige Aspekte von ISO 14001 zu Umweltfragen2283
16.6 Verstärker2283
16.6.1 Einleitung2283
16.6.2 Leistungsverstärker im D-Betrieb2284
16.6.2.1 Allgemeines und Schaltverstärker mit Halbbrücke2284
16.6.2.2 Schaltverstärker in Multizellenstruktur (Multicellverstärker) mit Vollbrücken2289
16.6.2.3 Strom- und Spannungsregelung2293
16.6.2.3.1 Allgemeines2293
16.6.2.3.2 Modellbildung und grundsätzliche Voraussetzungen2293
16.6.2.3.3 Dimensionierung des Reaktanzfilters2298
16.6.2.3.4 Kaskadierte Strom- / Spannungsregelung2301
16.6.2.3.5 Dimensionierung des Stromreglers2302
16.6.2.3.6 Dimensionierung des Spannungsreglers2311
16.6.2.4 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker (ALS-Verstärker)2315
16.6.2.4.1 Prinzipielle Funktionsweise2315
16.6.2.4.2 Dimensionierung des Ausgangsfilters2321
16.6.2.4.3 Regelung2321
16.6.3 Kombination von Schalt- und Linearverstärkern2322
16.6.3.1 Allgemeines2322
16.6.3.2 Direkte Kopplung von linearem und schaltendem Verstärker2322
16.6.3.3 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker mit hybridem Ausgangsfilter2326
16.6.4 Verstärker für Audiosysteme und weitere Anwendungen2328
16.6.4.1 Allgemeines zur Klassifizierung von Leistungsverstärkern2328
16.6.4.2 Klasse E-Verstärker (für frequenzabgestimmte Systeme, z. B. Sender)2330
16.7 Netzgekoppelte Pulsumrichter – Aktive Rippelkompensation2333
16.7.1 Einleitung2333
16.7.2 Grundkonzepte, netz- und schaltfrequente Oberschwingungen2335
16.7.3 Kopplungsstufe2343
16.7.4 Regelung der Filterumrichterspannung2345
16.7.5 Signalrippelfilter (SRF)2348
16.7.6 Filterstromregelung2352
16.7.7 Spannungsregelung für den Filterumrichter2356
16.7.8 Niederfrequente Schwingungen und Regelung des Hauptumrichters2357
16.7.9 Anwendung der Multizellenstruktur2362
16.7.10 Zusammenfassung2369
16.8 Leistungselektronik im KFZ2372
16.8.1 Einleitung2372
16.8.2 Spannungsregelung im KFZ2372
16.8.2.1 Konventionelle Linearregler2373
16.8.2.2 Linearregler mit kleinem Spannungsabfall LDO (= Low Drop Out)2374
16.8.2.3 Betrachtung des LDO-Regelkreises2375
16.8.2.4 Überbrückung von Spannungseinbrüchen2380
16.8.3 Ansteuerung von Magnetventilen (z. B. für elektronische Einspritzung)2382
16.8.3.1 Allgemeines2382
16.8.3.2 Magnetventilansteuerung mit L91402383
16.8.4 Antriebssysteme mit Brennstoffzellen2385
16.8.4.1 Allgemeines2385
16.8.4.2 Bidirektionaler DC–DC-Konverter2386
16.8.5 Pulswechselrichter2389
16.8.5.1 Allgemeines2389
16.8.5.2 Multizellenkonverter2389
16.8.5.3 Multilevelkonverter2393
16.8.6 Bordnetze mit 42 V2395
16.8.6.1 Allgemeines2395
16.8.6.2 DC–DC-Konverter für 42 V-Bordsysteme2395
16.8.6.3 Smart Power Devices2398
16.8.6.3.1 Sicherheitseinrichtungen2398
16.8.6.3.2 Active Clamping2400
16.8.6.3.3 Unterbrechung der Masse2400
16.8.7 Beleuchtungstechnik2401
16.8.8 Brennstoffzellen2402
16.8.8.1 Einleitung2402
16.8.8.2 Brennstoffzellensysteme2405
16.8.8.3 DMFC2406
16.8.8.3.1 Einleitung2406
16.8.8.3.2 Funktionsweise2406
16.8.8.3.3 Stationäre Kennlinien2408
16.8.8.4 Dynamisches Verhalten der Brennstoffzellen2410
16.8.8.5 DMFC-Antrieb2412
16.9 Beeinflussungen der Arbeitsweise2414
16.9.1 Allgemeines2414
16.9.2 Wechselrichterkippen und Überströme zufolge Netzspannungseinbrüchen und -ausfällen bei netzgeführten Systemen2414
16.9.3 Umrichterfehler und Möglichkeiten zur Korrektur2420
16.9.3.1 Ursachen von Umrichterfehlern2420
16.9.3.2 Korrekturmaßnahmen2425
16.9.4 Einfluß von Streuinduktivitäten2425
16.9.4.1 Gegentaktwandler2425
16.9.4.2 Stromverdopplerschaltung2446
16.9.5 Einfluß der Magnetisierungsströme2461
16.9.6 Entlastungsschaltungen – Reduktion von Schaltverlusten und Einfluß parasitärer Elemente2485
16.10 Literatur2495
17. Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung2504
17.1 Allgemeines2504
17.1.1 Grundlegende Begriffsdefinitionen2505
17.1.2 Störfestigkeit (Passive EMV)2506
17.1.3 Störaussendungen (Aktive EMV)2507
17.1.4 Zusammenfassung2508
17.2 EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV)2508
17.2.1 Theoretische EMV-Analyse2509
17.2.2 EMV-Funktionstest2511
17.2.3 Betrachtete physikalische Größen2512
17.2.4 Zusammenfassung2513
17.3 Kopplungsmechanismen2514
17.3.1 Störungskopplung – Grundlagen2514
17.3.2 Galvanische Kopplung2517
17.3.2.1 Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen2518
17.3.2.2 Masseschleifenkopplung2519
17.3.3 Kapazitive Kopplung2519
17.3.4 Induktive Kopplung2520
17.3.5 Elektromagnetische Kopplung2522
17.3.5.1 Wellenleiterkopplung2522
17.3.5.2 Strahlungskopplung2523
17.3.6 Identifikation von Kopplungsmechanismen2525
17.4 Störquellen (Aktive EMV)2526
17.4.1 Einteilung nach dem Spektrum2527
17.4.2 Schmalbandige Störquellen2527
17.4.2.1 Systeme mit Netzrückwirkungen – Allgemeines2527
17.4.2.2 Leistungselektronische Schaltungen2529
17.4.2.3 HF-Generatoren2530
17.4.2.4 Starkstromleitungen2531
17.4.3 Intermittierende Breitbandstörquellen2531
17.4.3.1 Grundstörpegel („Elektrosmog“)2531
17.4.3.2 Kommutatormotoren2531
17.4.3.3 KFZ-Zündanlagen2532
17.4.3.4 Gasentladungslampen2532
17.4.3.5 Hoch- und Mittelspannungsfreileitungen2532
17.4.4 Transiente Breitbandstörungen2533
17.4.4.1 Elektrostatische Entladungen2533
17.4.4.2 Geschaltete Induktivitäten2535
17.4.4.3 Transienten in Versorgungsnetzen2537
17.4.4.4 Blitze – LEMP2537
17.4.4.5 High Energy Electromagnetic Pulse – HEMP2539
17.4.5 Umgebungsklassen2539
17.4.5.1 Leitungsgebundene Störungen2540
17.4.5.2 Störstrahlung2541
17.5 Störsignale an der Störsenke (Passive EMV)2541
17.5.1 Auswirkung auf Bauelemente2541
17.5.2 Störfestigkeit bei analogen Signalen2543
17.5.3 Störfestigkeit bei digitalen Signalen2543
17.5.4 Ermittlung der Störfestigkeit durch Prüfungen2545
17.5.4.1 Simulation leitungsgebundener Störungen2546
17.5.4.2 Simulation quasistationärer und transienter Felder (elektromagnetischer Wellen)2549
17.6 Reduktion von Störungen (der aktiven EMV) und Erhöhung der Störfestigkeit (der passiven EMV)2551
17.6.1 Allgemeines2551
17.6.2 Optimierung der Leitungsführung2552
17.6.2.1 Leitungstypen2552
17.6.2.2 Verlegung des Bezugspotentials (Erd- und Masseleitungen)2552
17.6.2.3 Verlegung von Signalleitungen2555
17.6.2.4 Verlegung von Versorgungsleitungen2557
17.6.3 Filterung2559
17.6.3.1 Filterarten2560
17.6.3.2 Aufbau von Filtern2561
17.6.3.3 Entstörfilter2565
17.6.4 Überspannungsableiter2571
17.6.5 Optokoppler und Lichtleiter2572
17.6.6 Trenntransformatoren2572
17.6.7 Differenzverstärker2572
17.6.8 Allgemeine Maßnahmen gegen kapazitive Kopplung2574
17.6.9 Allgemeine Maßnahmen gegen induktive Kopplung2575
17.6.10 Maßnahmen bei Wellenleiter- und Strahlungskopplung2575
17.6.10.1 Allgemeines2575
17.6.10.2 Elektromagnetische Schirme2576
17.6.10.2.1 Berechnung mittels Impedanzkonzeptes2577
17.6.10.2.2 Konkreter Schirmaufbau2580
17.6.11 Maßnahmen zur Reduktion der Störaussendung von Quellen2583
17.6.12 Allgemeines zur Verbesserung der Störfestigkeit2584
17.6.12.1 Grundsätzliches2584
17.6.12.2 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei analogen Systemen2584
17.6.12.3 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei digitalen Systemen2584
17.7 EMV-Normung und CE-Kennzeichnung2585
17.7.1 Einführung und Struktur von Normen und Richtlinien2585
17.7.2 Vorgangsweise bei der CE-Kennzeichnung2587
17.7.3 Maschinenrichtlinie2590
17.7.4 Niederspannungsrichtlinie2591
17.7.5 EMV-Richtlinie (Ermittlung von Störfestigkeit und Störaussendung durch Prüfungen)2593
17.7.6 CE-Kennzeichnung bei Stromversorgungen2600
17.7.7 CE-Kennzeichnung in der elektrischen Antriebstechnik2601
17.8 Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung2602
17.8.1 Störfestigkeit gegen schnelle elektrische Transienten (Bursts)2603
17.8.2 Störfestigkeit gegen Stoßspannungen (Surges)2605
17.8.3 Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD)2610
17.8.4 Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (AM =Amplitudenmodulation)2612
17.8.5 Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (PM =Pulsmodulation)2614
17.8.6 Störfestigkeit gegen HF-Bestromung auf Leitungen2615
17.8.7 Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen2615
17.9 Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung2617
17.9.1 Leitungsgebundene Störaussendungen (150 kHz . . . 30 MHz)2618
17.9.2 Oberschwingungen2621
17.9.3 Flicker2624
17.9.4 Strahlungsgebundene Störaussendungen2624
17.10 Einteilungsgrundsätze der Störungsarten und praktische Hinweise2630
17.10.1 Einteilung nach technisch-physikalischen Gesichtspunkten2630
17.10.2 Vergleich der größtenteils genormten Störimpulse und der Netzspannungsbeeinträchtigungen nach Größe und Zeitdauer2631
17.10.3 Einteilung nach „Ursache und Wirkung“2633
17.10.4 Praktische Hinweise zur Störungsproblematik der Leistungselektronik2633
17.10.4.1 Störquellen in Schaltnetzteilen2633
17.10.4.2 Ansatzpunkte zur EMV-Optimierung2637
17.10.4.3 Maßnahmen zur Minimierung von Störungen2637
17.10.4.4 Bauelemente für die Entstörung – Maßnahmen zur nachträglichen Entstörung2638
17.11 Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte2642
17.11.1 Aktualisierte Werte zu den leitungsgebundenen Störgrenzwerten nach Abschnitt 7.3.3 und historischer Überblick2642
17.11.2 Aktualisierte Werte zu den Geräusch- und Längsspannungen (ergänzend zu Abschnitt 7.3.2)2645
17.11.3 Aktualisierte Störgrenzwerte bei Abstrahlung (ergänzend zu Abschnitt 7.3.4)2645
17.12 Beeinflussung von Nachrichtenleitungen durch Schaltungen der Leistungselektronik – Analytische Berechnung2647
17.12.1 Allgemeines2647
17.12.1.1 Motivation zur analytischen EMV-Behandlung2647
17.12.1.2 Überblick zur praktischen Bedeutung vorliegender Analyse2647
17.12.2 Prinzipielle Gesichtspunkte zur Berechnung der Starkstrombeeinflussung für Nachrichtenkabel2648
17.12.2.1 Im Bereich von Drehstromanlagen2648
17.12.2.1.1 Beeinflussende Leitung2648
17.12.2.1.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel2649
17.12.2.2 Im Bereich von elektrischen Bahnen2649
17.12.2.2.1 Beeinflussende Leitung (Fahrdraht)2649
17.12.2.2.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel2650
17.12.3 Grenzwerte für Spannungen bei Beeinflussungen2651
17.12.3.1 Maximalwerte für Geräusch- und Fremdspannungen2651
17.12.3.2 Maximalwerte von Gefährdungsspannungen2651
17.12.4 Berechnungsformel nach VDE2652
17.12.5 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters in einem Hohlzylinder aus Stahl2653
17.12.6 Fluß in der Schleife des Nachrichtensystems2675
17.12.7 Oberschwingungsgehalt des Speisestromes von thyristorgesteuerten Verbrauchern (Gleichstrommotor-Antrieb) und Gefährdungsspannung2682
17.12.7.1 Idealisiertes Zeitverhalten2682
17.12.7.2 Nichtideales Verhalten2683
17.12.8 Oberschwingungsgehalt und Gefährdungsspannung bei Lastkurzschluß2684
17.12.8.1 Gleiche Stromformen in allen drei Phasenleitern2684
17.12.8.2 Ausfall einer Phase2685
17.12.8.3 Zusammenfassung2686
17.13 Literatur2687
Namen- und Sachverzeichnis2692
Verzeichnis der Tafeln und Tabellen2863

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