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Leistungselektronik

Ein Handbuch Band 1 / Band 2

AutorFranz Zach
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl2868 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 page3
Copyright page4
Vorwort zur 1. Auflage5
Vorwort zur 2. Auflage7
Vorwort zur 3. Auflage8
Vorwort zur 4. Auflage9
Table of contents14
Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole47
1. Einleitung53
1.1 Grundprinzipien der Leistungselektronik53
1.2 Stellung der Leistungselektronik in der Elektrotechnik und Anwendungsgebiete54
1.3 Methoden der Leistungselektronik55
1.4 Einteilung der leistungselektronischen Schaltungen55
1.5 Historisches55
1.6 Aufbau und Organisation des vorliegenden Werkes56
2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen58
2.1 Mathematische Grundlagen58
2.1.1 Fouriersche Reihen58
2.1.1.1 Allgemeine Formeln58
2.1.1.2 Spezielle Funktionen bzw. Symmetrien (Abb. 2.1)61
2.1.1.3 Wichtige Fourierreihen65
2.1.1.3.1 Allgemeine Verläufe65
2.1.1.3.2 Spezielle Funktionen der Leistungselektronik70
2.1.2 Laplacetransformation101
2.1.3 Geometrische Reihen, exponentielle Verläufe und quadratische Gleichungen102
2.1.4 Berechnung von Schaltungen der Leistungselektronik103
2.2 Elektrotechnische Grundlagen107
2.2.1 Allgemeines107
2.2.2 Spannungen und elektromotorische Kräfte (Zählpfeile und Definitionen)107
2.2.3 Transformatoren108
2.2.4 Drehstromsysteme – Verhalten bei Oberschwingungen109
2.2.5 Leistungsarten und Kennwerte nichtsinusförmiger Ströme und Spannungen111
2.2.6 Kennwerte bei nichtsinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor120
2.3 Literatur122
Anhang 2A.Winkelfunktionen – Additionstheoreme124
3. Bauelemente der Leistungselektronik125
3.1 Allgemeines125
3.2 Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik125
3.3 Diode126
3.3.1 Statisches Verhalten127
3.3.2 Dynamisches Verhalten129
3.3.3 Abhängigkeiten von der Temperatur130
3.4 Transistoren131
3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise?131
3.4.2 Stromverstärkung132
3.4.3 Kennlinienfeld133
3.4.4 Grenzdaten von Transistoren und Kühlung135
3.4.4.1 Spannungsgrenzen135
3.4.4.2 Stromgrenze135
3.4.4.3 Leistungsgrenze136
3.4.4.4 Kühlung136
3.4.4.5 Grenzdaten bei Schalt- oder Impulsbetrieb137
3.4.4.6 Zusammenstellung der Grenzwerte138
3.4.4.7 Lebensdauer des Leistungstransistors139
3.4.5 Parallelschaltung und Verluste139
3.4.5.1 Aufteilung des Gesamtstromes139
3.4.5.2 Stromverstärkungsverlauf und minimale Steuer- und Durchlaßverluste140
3.4.6 Zeitliches Schaltverhalten140
3.4.7 Transistoren für höhere Spannungen [3.26]141
3.5 Thyristoren144
3.5.1 Aufbau und Wirkungsweise144
3.5.2 Statisches Verhalten und Zündung146
3.5.2.1 Sperrzustand in Rückwärtsrichtung146
3.5.2.2 Sperrzustand in Vorwärtsrichtung (Blockierzustand)147
3.5.2.3 Durchlaßzustand149
3.5.2.4 Zündvorgang?? und Eingangskennlinie149
3.5.2.5 Empfohlene Steuerdaten151
3.5.3 Dynamisches Verhalten Schaltvorgänge152
3.5.3.1 Große Spannungssteilheit in Vorwärtsrichtung152
3.5.3.2 Einschaltvorgang und hohes di/dt152
3.5.3.3 Ausschaltvorgang – Freiwerdezeit154
3.5.3.3.1 Spannungsnachlaufzeit ts – Rückstrom iR156
3.5.3.3.2 Freiwerdezeit tq156
3.5.4 Thermisches Verhalten – Verlustleistung157
3.5.4.1 Statische Verluste157
3.5.4.2 Dynamische Verluste157
3.5.4.3 Ermittlung des Temperaturverlaufs und Kühlung158
3.5.5 Beschaltung von Thyristoren159
3.5.5.1 Dämpfung der Ausschaltüberspannungen (TSE-Beschaltung)159
3.5.5.2 Serienschaltung von Thyristoren163
3.5.5.3 Parallelschaltung von Thyristoren165
3.5.5.4 Überstrom- und Überspannungsschutz165
3.5.6 Grenzkennlinien169
3.5.7 Bauformen171
3.5.8 Technologische Verbesserungen172
3.5.8.1 Amplifying Gate [größeres (di/dt)max]172
3.5.8.2 Querfeldemitter173
3.5.8.3 Shorted Emitter174
3.6 Vergleich von Transistor und Thyristor175
3.6.1 Unterschiede im Aufbau und im statischen Betrieb175
3.6.2 Unterschiede im Schaltbetrieb176
3.6.3 Unterschiede in den dynamischen Grenzwerten und bei Überlastung177
3.6.4 Weitere Unterschiede177
3.6.5 Zusammenfassung177
3.7 Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik178
3.7.1 Unijunction-Transistor (Doppelbasisdiode)178
3.7.2 Triac179
3.7.3 Diac, Glimmlampe180
3.8 Literatur180
4. Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen183
4.1 Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen183
4.1.1 Allgemeines183
4.1.2 Einteilungsgrundsätze leistungselektronischer Schaltungen183
4.2 Fremdgeführte Schaltungen186
4.2.1 Allgemeines186
4.2.2 Netzgeführte Schaltungen187
4.2.2.1 Grundbegriffe zur Arbeitsweise netzgeführter Schaltungen187
4.2.2.1.1 Löschung187
4.2.2.1.2 Zündverzögerung und Kommutierung188
4.2.2.1.3 Grundlegende Betriebsfälle194
4.2.2.1.4 Überlappung213
4.2.2.2 Anschnittsteuerung: Gleich- und Wechselrichterbetrieb Überlappung213
4.2.2.2.1 Prinzipielles zur Spannungssteuerung213
4.2.2.2.2 Steuerungskennlinien bei Anschnittsteuerung für p = 2215
4.2.2.2.3 Lückender und nichtlückender Betrieb und Steuerungsgesetze für p > 2216
4.2.2.2.4 Wechselrichterbetrieb bei Netzführung219
4.2.2.2.5 Überlappung222
4.2.2.2.6 Innere Spannungsabfälle230
4.2.2.3 Grundlegende Arten von netzgeführten Schaltungen232
4.2.2.3.1 Mittelpunktschaltungen232
4.2.2.3.2 Brückenschaltungen234
4.2.2.3.3 Saugdrosselschaltung246
4.2.2.3.4 Wechselstrom- sowie Drehstromschalter und -steller252
4.2.2.4 Spezielle Probleme der Schaltungen mit Netzführung262
4.2.3 Lastgeführte Schaltungen289
4.3 Selbstgeführte Schaltungen298
4.3.1 Allgemeines298
4.3.2 Gleichstromsteller299
4.3.2.1 PrinzipielleWirkungsweise299
4.3.2.2 Anordnung von Löschschaltungen307
4.3.2.3 Weitere Löschschaltungen und Erweiterungen309
4.3.2.3.1 Allgemeines309
4.3.2.3.2 Systematik der Löschschaltungen309
4.3.2.3.3 Schaltungstechnische Erweiterungen und Verbesserungen der Löschschal-tungen316
4.3.2.4 Energierückgewinnung319
4.3.2.5 Zwei- und Vierquadrantensteller, Prinzip des selbstgeführten Wechselrichters321
4.3.2.6 Pulsgesteuerter Widerstand324
4.3.2.7 Einschaltprobleme bei Gleichstromstellern bzw. bei Löschschaltungen324
4.3.3 Selbstgeführte Wechselrichter, Pulswechselrichter325
4.3.3.1 Allgemeines325
4.3.3.2 Einphasige Schaltungen326
4.3.3.2.1 Mittelpunktschaltungen326
4.3.3.2.2 Brückenschaltungen340
4.3.3.3 Dreiphasige Wechselrichter345
4.3.3.3.1 Allgemeines345
4.3.3.3.2 Phasenfolgelöschung346
4.3.3.3.3 Spannungsverläufe350
4.3.3.3.4 Einzellöschung361
4.3.3.3.5 Belastung durch Wechselstrommotoren363
4.3.3.3.6 Steuerung der Ausgangsspannung368
4.3.3.3.7 Zwischenkreise, Umrichter368
4.3.3.3.8 (Spannungs-)Wechselrichter (Umrichter) mit steuerbarer Zwischenkreis-spannung369
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 sowieZusammenfassung378
4.3.3.3.12 Betriebskennlinien selbstgeführter Schaltungen384
4.4 Literatur385
Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik387
4A.1 Allgemeines387
4A.2 Momenten / Zeit- bzw. Drehzahl / Zeit-Verlauf388
4A.3 Asynchronmotor und Ventilator mit verstellbaren Flügeln388
4A.4 Gleichstrommotor und Ventilator mit feststehenden Flügeln395
4A.5 Berechnung der Blindleistungen für beide Motoren405
4A.6 Zusammenfassung407
Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen407
Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen417
4C.1 Allgemeines417
4C.2 u-Zi-Diagramm für den Löschkondensator eines Gleichstromstellers417
4C.3 Aufladevorgang bei selbstgeführten Wechselrichtern418
4C.4 McMurray-Inverter418
4C.5 Betriebskennlinien421
4C.6 Strukturen der Löschschaltungen423
Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und 4.2427
4D.1 Tafel 4.1 (Systeme der Leistungselektronik)427
4D.2 Tafel 4.2 (Strukturen selbstgeführter Schaltungen)430
Anhang 4E. Dimensionierungshinweise430
4E.1 Netzgeführte Schaltungen430
4E.2 Selbstgeführte Schaltungen430
4E.2.1 Gleichstromsteller430
4E.2.2 Selbstgeführte Wechselrichter434
4E.2.2.1 Allgemeines434
4E.2.2.2 Dimensionierung von Kondensatoren und Induktivitäten434
4E.2.2.2.1 Spannungswechelrichter434
4E.2.2.2.2 Stromwechselrichter441
4E.2.2.3 Dimensionierung von Thyristoren und Dioden442
4E.2.2.4 Dimensionierung der Zwischenkreise445
4E.3 Auslegung der Steuerungskreise446
5. Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen)447
5.1 Allgemeines447
5.2 Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel- und Drehstromsteller448
5.2.1 Steuerungen bei Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität und allgemeine Prinzipien448
5.2.2 Steuerungen bei Verbrauchern mit induktivem Anteil454
5.3 Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung)456
5.3.1 Allgemeines456
5.3.2 Lasten mit vernachlässigbarer Induktivität457
5.3.2.1 Nullspannungsschalter in diskreter Ausführung457
5.3.2.2 Integrierte Nullspannungsschalter458
5.3.3 Induktive Last – Nullstromsteuerung459
5.4 Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern [5.15]461
5.4.1 Einführung, Drehmoment–Drehzahl-Diagramm461
5.4.2 Einquadrantenbetrieb463
5.4.3 Zweiquadrantenbetrieb464
5.4.4 Umkehrbetrieb (Vierquadrantenbetrieb)465
5.4.5 Zusammenfassung der Steuerungsgesetze479
5.4.5.1 Vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode479
5.4.5.2 Vollgesteuerte Schaltungen mit Freilaufdiode480
5.4.5.3 Halbgesteuerte Schaltungen481
5.4.5.4 Zusammenfassung der Steuerkennlinien und Kompoundierung481
5.5 Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller482
5.6 Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen488
5.6.1 Steuerung der Eingangsgleichspannung488
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)491
5.6.4 Erzeugung sinusähnlicher Spannungen (Pulswechselrichter)491
5.6.5 Erhöhung der Pulszahl500
5.6.6 Generelles zum dreiphasigen Betrieb501
5.7 Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischenkreis501
5.7.1 Allgemeine Steuerung501
5.7.2 „Stromrichtermotor“504
5.8 Direktumrichter und ihre Steuerungen506
5.9 Transvektorregelung513
5.10 Weitere Steuerungsarten514
5.11 Literatur515
6. Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen517
6.1 Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen517
6.1.1 Allgemeines517
6.1.2 Vorschriften520
6.1.2.1 Internationale Vorschriften und elektrische Netze520
6.1.2.2 Nationale Vorschriften525
6.1.2.3 Ergänzende Bemerkungen527
6.2 Leistungsfaktor und Oberschwingungen527
6.2.1 Gesteuerte Gleich- und Wechselrichter mit Netzführung527
6.2.1.1 Leistungsfaktor cos ?1527
6.2.1.2 Oberschwingungen des Netzstromes und der Lastspannung529
6.2.1.2.1 Überlappung u = 0529
6.2.1.2.2 Überlappung u > 0539
6.2.1.2.3 Kommutierungseinbrüche540
6.2.2 Nullspannungssteuerung (Impulspaket- oder Schwingungspaketsteuerung)543
6.2.3 Wechselstrom- und Drehstromsteller544
6.2.4 Direktumrichter545
6.3 Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes545
6.3.1 Allgemeines545
6.3.2 Maßnahmen durch geeignete Wahl bzw. Auslegung der leistungselektronischen Schaltung546
6.3.2.1 Verbesserung des Leistungsfaktors546
6.3.2.1.1 Freilaufdioden546
6.3.2.1.2 Folgesteuerung548
6.3.2.1.3 Vollständige Elimination der Phasenverschiebung und Erzeugung kapazitivenVerhaltens552
6.3.2.1.4 Weitere Methoden zur Reduktion der Phasenverschiebung im Netz553
6.3.2.1.5 Vergleich der angegebenen Methoden bezüglich Blindleistung553
6.3.2.2 Reduktion der Netzstromharmonischen554
6.3.2.2.1 Erhöhung der Pulszahl554
6.3.2.2.2 Steuerungstechnische Maßnahmen zur Reduktion der Netzstromoberschwingungen555
6.3.2.3 Gleichzeitige Optimierung von Leistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt557
6.3.3 Kompensationsmethoden (Störungsminderung durch Zusatzeinrichtungen außerhalb der leistungselektronischen Schaltung)557
6.3.3.1 Allgemeines557
6.3.3.2 Verbesserung des Leistungsfaktors558
6.3.3.3 Verbesserung des Oberschwingungsverhaltens559
6.3.3.3.1 Filter (Saugkreise)559
6.3.3.3.2 Statistische Kompensation von Oberschwingungen562
6.4 Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts- und Leistungsfaktoroptimierung564
6.4.1 Allgemeine Prinzipien564
6.4.2 Steuerungsgesetze für ohmsche Last567
6.4.3 Steuerungsgesetze für induktive Last569
6.5 Filter (Saugkreise, Siebkreise??)571
6.5.1 Allgemeines571
6.5.2 Filter bei netzgeführten Schaltungen572
6.5.2.1 Glättung von Lastspannungen572
6.5.2.2 Glättung des Netzstromes577
6.5.3 Filter für selbstgeführte Schaltungen577
6.5.3.1 Aufbau und Übertragungsfunktion577
6.5.3.2 Dimensionierung von L und C580
6.5.3.3 Das Ott-Filter582
6.5.3.4 Weitere Methoden zur Verbesserung der Ausgangsspannung [3.2], [6.57]583
6.6 Transformatoren für Stromrichter583
6.6.1 Allgemeines583
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 Sechspulsschaltungen597
6.6.6.1 Dreiphasige Reihenschaltung597
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 Transformatortypenleistung603
6.6.6.4.2 Berechnung der Saugdrosseltypenleistung605
6.6.6.4.3 Sperrspannung606
6.6.6.5 Vergleichendes Beispiel: Dimensionierung mit Brücken- und Saugdrosselschaltung606
6.6.7 Ergänzende Bemerkungen608
6.6.7.1 Berücksichtigung der Überlappung608
6.6.7.2 Berücksichtigung der Magnetisierungskennlinien608
6.6.8 Bemerkungen zu Tafel 6.1 (Spannungen und Ströme wichtiger netzgeführter Schaltungen mit Zahlenbeispielen)609
6.7 Literatur611
7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)614
7.1 Einführung614
7.2 Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen617
7.3 Vorschriften, Normen und Meßmethoden620
7.3.1 Allgemeines620
7.3.2 Störspannung im Bereich von 0 bis 20 kHz und Gefährdungsspannung621
7.3.2.1 Praktisches Beispiel621
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 MHz623
7.3.4 Störungen im Bereich ab 30 MHz625
7.3.5 Zusammenfassung627
7.4 Berechnungen von Beeinflussungsspannungen627
7.5 Entstörungsmaßnahmen628
7.6 Literatur631
8. Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick)634
8.1 Allgemeines634
8.2 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)635
8.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)637
8.4 Leistungselektronik in Flugzeugen und in der Raumfahrt638
8.5 Erzeugung hoher Gleichspannung für geringe Leistungen639
8.6 Netzgeräte642
8.7 Stromversorgung in der Elektrochemie642
8.8 Weitere Stromversorgungsanlagen642
8.9 Thyristor-Wechselspannungsregler643
8.10 Ladegleichrichter644
8.11 Widerstandsschweißen644
8.12 Anwendungen von Wechsel- und Drehstromstellern645
8.13 Thyristoren bei Induktionsheizungs- und Induktionsschmelzanlagen645
8.14 Verschiedene Anwendungen für kleine Leistungen645
8.15 Thyristorerregung von Synchronmaschinen645
8.16 Leistungselektronische Schaltungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Netzen645
8.17 Oberschwingungen (Netzrückwirkungen und Funkstörungen)646
8.18 Stromrichterantriebe einschließlich Anwendungen in Fahrzeugen646
8.18.1 Gleichstromantriebe648
8.18.1.1 Anwendung von netzgeführten Stromrichtern648
8.18.1.2 Anwendung von Gleichstromstellern650
8.18.2 Wechselstromantriebe651
8.18.2.1 Systeme mit nicht steuerbarer Frequenz652
8.18.2.2 Systeme mit steuerbarer Frequenz653
8.18.3 Vergleich Drehstromantrieb ? Gleichstromantrieb655
8.19 Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik656
8.20 Thyristorsteuerung mitMikroprozessoren656
8.21 Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik660
8.22 Literatur660
Anhang 8A. Neuere Methoden für Spannungssteuerungen und Stromregelungen666
9. Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke670
9.1 Einleitung670
9.2 Deutsch- und englischsprachige Fachzeitschriften, in denen regelmäßig (zumindest des öfteren) leistungselektronische Probleme behandelt werden bzw. wurden670
9.3 Konferenzen672
9.4 Sammelwerke675
9.5 Normen676
9.5.1 Grundlegende Normen677
9.5.2 Bauelemente678
9.5.3 Schaltungstechnik678
9.5.4 Netzrückwirkungen679
9.5.5 EMV679
9.5.6 Zusammenfassende und erläuternde Publikationen zu den deutschen (bzw. auch zu internationalen) Vorschriften zur EMV679
10. Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen681
10.1 Einführung681
10.1.1 Grundsätzliches681
10.1.2 Moderne Leistungshalbleiter (Überblick)681
10.1.3 Allgemeine Betrachtung von Leitmechanismen in Halbleitern684
10.2 Dioden in der Leistungselektronik687
10.2.1 Einleitung687
10.2.2 Ein- und Ausschaltverhalten schneller Leistungsdioden688
10.2.3 pin- und psn-Dioden?689
10.2.4 Schottkydioden691
10.3 Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke692
10.3.1 Einführung692
10.3.2 Aufbau693
10.3.3 Schaltverhalten693
10.3.4 Antisättigungsnetzwerke695
10.3.5 Parallelbetrieb696
10.3.6 Entlastungsnetzwerke697
10.3.6.1 Ausschaltentlastung697
10.3.6.2 Einschaltentlastung703
10.3.7 Verlustleistungsoptimierung705
10.3.8 Darlingtonstufe709
10.4 Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs)710
10.4.1 Einführung710
10.4.2 Aufbau710
10.4.3 Funktionsweise713
10.4.3.1 Einschaltvorgang713
10.4.3.2 Ausschaltvorgang714
10.4.3.3 Dynamischer Avalanche716
10.4.4 Steuergenerator717
10.4.5 Reihen- und Parallelschaltung von GTOs719
10.5 Power-MOSFET720
10.5.1 Aufbau und Wirkungsweise721
10.5.2 Statisches Verhalten728
10.5.3 Dynamisches Verhalten730
10.5.4 Betriebsgrenzen734
10.5.4.1 Gatespannung734
10.5.4.2 Drainspannung734
10.5.4.3 Drainspannungsanstieg734
10.5.4.4 Drainstrom735
10.5.4.5 Thermische Grenzen735
10.5.5 Verluste736
10.5.5.1 Statische Verluste736
10.5.5.2 Dynamische Verluste736
10.5.6 Beschaltungen des MOSFETs736
10.5.6.1 Gatebeschaltung736
10.5.6.2 Schutzbeschaltungen737
10.5.7 Parallelbetrieb738
10.5.8 Typische Ansteuerschaltungen738
10.5.8.1 Elektrisch isolierte Ansteuerungen738
10.5.8.2 Ansteuerung mit logischen Gattern739
10.5.9 Synchrongleichrichter740
10.6 IGBT742
10.6.1 Allgemeines742
10.6.2 Prinzipieller Aufbau743
10.6.3 Technische Ausführungsformen747
10.6.3.1 Punch-Through-IGBT747
10.6.3.2 Non-Punch-Through-IGBT749
10.6.3.3 Vergleich Punch-Through-IGBT – Non-Punch-Through-IGBT751
10.6.3.4 FS-IGBT (Field-Stop-IGBT)752
10.6.3.5 Trench-IGBT753
10.6.4 Funktionsweise (Physikalische Grundlagen)755
10.6.4.1 Einschaltvorgang756
10.6.4.2 Ausschaltvorgang758
10.6.5 Ersatzschaltbild759
10.6.6 Schaltkreissymbole759
10.6.7 Statisches Strom–Spannungs-Verhalten761
10.6.7.1 Grundsätzliches761
10.6.7.2 Durchlaßeigenschaften763
10.6.8 Dynamisches Strom–Spannungs-Verhalten765
10.6.8.1 Einschalten766
10.6.8.2 Ausschalten767
10.6.8.3 Schweifstrom768
10.6.8.4 Millereffekt769
10.6.9 Ein- und Ausschaltverluste (hartes Schalten)770
10.6.9.1 Näherungsweise Berechnung770
10.6.9.2 Kompromiß zwischen Durchlaßspannung und Ausschaltzeit772
10.6.9.3 Beeinflussung der Ausschaltverluste durch eine negative Gate–Emitter-Spannung773
10.6.9.4 Anforderungen an Ansteuerschaltungen774
10.6.9.5 Schaltentlastungsnetzwerke für IGBTs777
10.6.10 Schutz des IGBTs789
10.6.10.1 Überspannung790
10.6.10.2 Überstrom790
10.6.11 Betriebsgrenzen792
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-Up796
10.6.11.2.2 Dynamisches Latch-Up797
10.6.11.2.3 Verhinderung des Latch-Up797
10.6.12 Parallelschaltbarkeit797
10.6.12.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter, Bauteilselektion798
10.6.12.2 Beschaltungsmaßnahmen799
10.6.12.3 Layoutmaßnahmen800
10.6.12.4 Einfluß unterschiedlicher Sperrschichttemperaturen801
10.6.12.5 Herabsetzen der Nennbelastung (Derating)802
10.6.13 Serienschaltbarkeit802
10.6.13.1 Einflüsse unterschiedlicher Parameter802
10.6.13.2 Beschaltungsmaßnahmen803
10.6.13.2.1 Aktive Methoden der Spannungssymmetrierung803
10.6.13.2.2 Master-Slave-Prinzip805
10.6.13.2.3 Schaltzeitenkorrektur805
10.6.13.2.4 Schlußfolgerungen806
10.7 IGCT und Vergleich mit dem IGBT806
10.7.1 IGCT806
10.7.1.1 Einleitung806
10.7.1.2 Aufbau des Wafers807
10.7.1.2.1 Transparenter Emitter809
10.7.1.2.2 Pufferzone810
10.7.1.3 Funktionsweise812
10.7.1.3.1 Einschaltvorgang812
10.7.1.3.2 Ausschaltvorgang815
10.7.1.4 Aufbau des Gehäuses mit Gatesteuerleitung817
10.7.1.5 Vorgeschlagenes Symbol für die Schalt- und Stromlaufpläne819
10.7.2 Vergleich zwischen IGCT (GTO) und IGBT820
10.7.2.1 Vergleich von 3,3kV-Leistungshalbleiterschaltern820
10.7.2.2 Ausfallswahrscheinlichkeit821
10.7.2.3 Kosten823
10.7.2.4 Zusammenfassung: Vorteile – Nachteile824
10.7.3 Ausblick824
10.8 MOS-Controlled Thyristor (MCT)825
10.8.1 Funktionsweise des MCTs825
10.8.2 Realisierung des MCTs826
10.8.3 Zulässige Gatespannungs-Kurvenformen827
10.8.3.1 Spezifikation der Gatespannungs-Kurvenform828
10.8.3.2 Negative Amplitude, MCT eingeschaltet828
10.8.3.3 Negative Spannungsflanke828
10.8.3.4 Positive Amplitude829
10.8.3.5 Positive Flanke829
10.8.3.6 Derating829
10.8.4 MCT-Ansteuerschaltungen829
10.8.5 Einsatzgebiete des MCTs832
10.9 Ansteuerschaltungen für MGDs833
10.9.1 Einführung833
10.9.1.1 Anwendungsgebiete für Treiber833
10.9.1.2 MOSFETs und IGBTs834
10.9.1.3 MCTs835
10.9.2 Ein- und Ausschaltvorgang unter Einfluß des Gatewiderstandes835
10.9.2.1 Gatewiderstand835
10.9.2.2 Einschaltvorgang840
10.9.2.3 Ausschaltvorgang842
10.9.3 Low- und High-Side-Driving846
10.9.3.1 Low-Side-Driving (Treiber)846
10.9.3.2 High-Side-Driving (Treiber)846
10.9.3.2.1 Getrennte Gateversorgung848
10.9.3.2.2 Bootstrap-Verfahren849
10.9.3.2.3 Ladungspumpe851
10.9.3.2.4 Impulstransformator855
10.9.3.2.5 Carrier Drive857
10.9.4 Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Leistungskreis858
10.9.4.1 Optische Isolation858
10.9.4.2 Transformator859
10.9.5 Ergänzende Details865
10.9.5.1 du / dt- und di / dt-induziertes Einschalten865
10.9.5.2 Unterspannungserkennung UVLO866
10.9.5.3 Sense-Eingang867
10.9.5.4 Sicherheitsausschaltung871
10.9.5.5 Parallele Treiber871
10.9.5.6 Überspannungsschutz und Snubbernetzwerke872
10.9.5.7 Schaltungsentwurf mit Hilfe der Gate-Charge873
10.9.6 Vergleiche von industriell erzeugten Treibern879
10.9.6.1 Einzelchiptreiber880
10.9.6.2 Treibermodule882
10.10 Cool-MOS883
10.10.1 Allgemeines883
10.10.2 Aufbau885
10.10.3 Optimiertes Schaltverhalten und reduzierte Kapazitäten887
10.10.4 Neuartiger Aufbau von Netzteilen890
10.11 Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh)891
10.11.1 Static Induction Transistor (SIT)891
10.11.1.1 Allgemeines891
10.11.1.1.1 Langkanal-JFET891
10.11.1.1.2 Kurzkanal-JFET = SIT (Überblick)891
10.11.1.2 Aufbau893
10.11.1.3 Funktionsdetails893
10.11.1.4 Betriebsverhalten des SITs896
10.11.2 Static Induction Thyristor (SITh)896
10.11.2.1 Aufbau und Allgemeines896
10.11.2.2 Betriebsverhalten897
10.12 Trench-Elemente und MCD-Strukturen898
10.12.1 Trench-IGBT898
10.12.2 pn?n-Dioden900
10.12.3 pn?n-Dioden mit MOS-Steuerköpfen902
10.12.4 Trench-Diode nach dem MCD-Prinzip906
10.12.5 Trench-Double-Zelle (TD-IGBT)907
10.12.6 Trench-MOS-Thyristor-Zelle (TMCT)908
10.13 Smart-Power-ICs910
10.13.1 Isolationstechniken910
10.13.1.1 Dielektrische Isolation911
10.13.1.2 Selbstisolation (implizite Isolation)911
10.13.1.3 Sperrschichtenisolation911
10.13.2 Integrierte Leistungsbauelemente912
10.13.2.1 Vertikal- und Horizontalstrukturen912
10.13.2.2 Multipower-BCD913
10.13.3 Schutzschaltungen914
10.13.3.1 Übertemperatur914
10.13.3.2 Kurzschlüsse914
10.13.3.2.1 Kurzschluß des Ausganges gegen die Versorgung bzw. Masse915
10.13.3.2.2 Kurzschluß der Versorgungsspannung916
10.13.3.2.3 Kurzschluß der Last916
10.13.3.2.4 Schutzmaßnahmen gegen Überstrom916
10.13.3.3 Unterbrechungen917
10.13.3.4 Verlustleistungsbegrenzung918
10.13.4 Ansteuerschaltungen für Power-MOSFETs919
10.13.4.1 Ansteuerschaltungen für Low-Side-Schalter919
10.13.4.2 Ansteuerschaltungen für High-Side-Schalter919
10.13.4.2.1 Bootstraptechnik920
10.13.4.2.2 Ladungspumpe921
10.13.5 Selbstdiagnoseeinrichtungen921
10.13.5.1 Schnittstellen922
10.13.5.1.1 Analoge Schnittstellen922
10.13.5.1.2 Digitale Schnittstellen922
10.13.5.1.3 CAN (Controller Area Network)922
10.13.6 Anwendungen923
10.13.6.1 TOPFET923
10.13.6.1.1 ESD-Schutz923
10.13.6.1.2 Überspannungsschutz923
10.13.6.1.3 Übertemperaturausschaltung924
10.13.6.1.4 Kurzschlußschutz924
10.13.6.1.5 Gateansteuerung924
10.13.6.1.6 Schaltgeschwindigkeit924
10.13.6.2 TOPFET mit fünf Anschlüssen925
10.13.6.3 HITFET925
10.13.6.4 Super-Smart-Power-IC L9942926
10.13.6.4.1 Leistungsteil926
10.13.6.4.2 Mikrocontroller926
10.13.6.4.3 Spannungsversorgung und Einsatzgebiet926
10.14 Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen927
10.14.1 Einleitung927
10.14.2 IEGT (Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor)928
10.14.2.1 Allgemeines928
10.14.2.2 Aufbau und Wirkungsweise928
10.14.3 CSTBT (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor)930
10.14.3.1 Allgemeines930
10.14.3.2 Aufbau und Wirkungsweise930
10.14.4 n-MCT mit Pufferschichte und Anodenemitter-Kurzschlüssen931
10.14.4.1 Allgemeines931
10.14.4.2 Aufbau932
10.14.4.2.1 Anodenstruktur932
10.14.4.2.2 Kathodenstruktur932
10.14.4.3 Charakteristische Eigenschaften933
10.14.5 DG-MCT (Dual-Gate MOS-Controlled Thyristor)933
10.14.5.1 Allgemeines933
10.14.5.2 Aufbau und Wirkungsweise934
10.14.6 IGTT (IGBT Mode Turn-Off Thyristor)935
10.14.6.1 Allgemeines935
10.14.6.2 Aufbau und Wirkungsweise936
10.14.7 DGMOS der zweiten Generation (2nd-Generation Dual-Gate MOS Thyristor)937
10.14.7.1 Allgemeines937
10.14.7.2 Aufbau und Wirkungsweise937
10.14.8 EST (Emitter-Switched Thyristor)938
10.14.8.1 Allgemeines938
10.14.8.2 Funktionsweise939
10.14.9 BRT (Base-Resistance-Controlled Thyristor)940
10.14.9.1 Allgemeines940
10.14.9.2 Aufbau und Wirkungsweise941
10.14.10 Überblick über die Feldeffekttransistoren und spezielle MOSFET-Transistoren942
10.14.10.1 Allgemeines zu den Feldeffekttransistoren und deren Klassifikation942
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 DMOS947
10.14.10.3.2 Funktion und Wirkungsweise948
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 Entwicklungen954
10.14.12.1 Weitere Strukturen954
10.14.12.2 Neuere Entwicklungen955
10.14.12.2.1 Neue Materialien – Siliziumkarbid955
10.14.12.2.2 Neue Bauelementestrukturen955
10.15 Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen956
10.15.1 Allgemeines956
10.15.2 IGBT – Kennwerte und Bezeichnungen958
10.15.3 GTO – Kennwerte und Bezeichnungen961
10.15.4 MOSFET – Kennwerte und Bezeichnungen963
10.16 Literatur966
11. Strukturen der Schaltnetzteile973
11.1 Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung973
11.1.1 Allgemeines973
11.1.2 Überblick über Strukturen und Funktionen974
11.1.2.1 Struktur eines Schaltnetzteiles974
11.1.2.2 Resonanzwandler im Vergleich mit Rechteckwandlern977
11.1.2.3 Strukturvergleich Schaltnetzteile mit linearen Netzteilen980
11.1.3 Grundtopologien985
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 Schaltungsanalyse993
11.1.5 DC–DC-Wandler 1. Ordnung994
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 Strukturen1013
11.1.6.1 C´uk-Konverter1013
11.1.6.2 Weitere Strukturen höherer Ordnung1020
11.2 Potentialgetrennte Wandler1020
11.2.1 Eintaktschaltungen1021
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 Steuerungsgesetze1026
11.2.1.1.2 Grenzfall: Übergang vom Trapez- auf den nichtlückenden Dreieckbetrieb und Dimensionierung der Induktivitäten1029
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-Wandler1045
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-Konvertern1046
11.2.1.2 Eintakt-Durchflußwandler1049
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-Durchflußwandler1063
11.2.1.4 Doppel-Durchflußwandler1064
11.2.2 Gegentaktschaltungen1067
11.2.2.1 Parallelgespeister Gegentakt-Durchflußwandler1067
11.2.2.2 Seriengespeiste Gegentakt-Durchflußwandler1070
11.2.2.2.1 (Symmetrischer) Halbbrücken-Durchflußwandler1070
11.2.2.2.2 Vollbrücken-Durchflußwandler1071
11.2.2.3 Wandler mit eingeprägtem Eingangsstrom1072
11.3 Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung1072
11.3.1 Allgemeines1072
11.3.2 Quasiresonanter Gegentaktkonverter1074
11.3.2.1 Schaltungsberechnung1074
11.3.2.2 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten ZCS-(Lee-)Konverter1080
11.3.3 SEPIC(-Konverter) mit harter Schalttechnik1083
11.3.3.1 Einführung1083
11.3.3.2 Funktionsprinzip1084
11.3.3.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1086
11.3.3.4 Mittelwerte und Steuerungsgesetz1087
11.3.3.5 Schaltungsvariante1088
11.3.4 Quasiresonanter SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik1089
11.3.4.1 Einführung1089
11.3.4.2 Funktionsprinzip der ZVS-Technik1089
11.3.4.3 Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1090
11.3.4.4 Steuerungsgesetz1093
11.3.4.5 Genaue Ermittlung des Tastverhältnisses1095
11.3.4.6 Schaltungsvarianten1096
11.3.4.7 u-Zi-Diagramm für den quasiresonanten SEPIC(-Konverter) mit ZVS-Technik1097
11.3.5 Zeta-Konverter mit harter Schalttechnik1098
11.3.5.1 Einführung1098
11.3.5.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1099
11.3.5.3 Mittelwerte und Steuerungsgesetz1101
11.3.6 Quasiresonanter Zeta-Konverter mit ZVS-Technik1103
11.3.6.1 Einführung1103
11.3.6.2 Funktionsprinzip und Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe1103
11.3.6.3 Steuerungsgesetz1108
11.3.6.4 Schaltungsvarianten1109
11.3.6.5 u-Zi-Diagramm für einen quasiresonanten Zeta-Konverter1109
11.4 Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen1111
11.4.1 Tabellen und Tafeln zu den Strukturen aus 11.1 bis 11.31111
11.4.2 Weitere Konvertertopologien erster Ordnung1117
11.4.2.1 Boost-Konverter mit Potentialtrennung1117
11.4.2.2 SMART-Konverter1117
11.4.3 Konvertertopologien höherer Ordnung (Vergleich)1120
11.4.3.1 Allgemeines1120
11.4.3.2 C´uk-Konverter1121
11.4.3.3 SEPIC(-Konverter)1123
11.4.3.4 Zeta-Konverter1125
11.4.3.5 Doppelinverter1129
11.4.3.6 Buck / Boost-Konverter mit einem induktiven Bauelement und zwei Schaltern1131
11.4.3.7 Zusammenfassung1132
11.5 Resonante, Quasi- und Pseudoresonante Schaltungen1133
11.5.1 Allgemeines1133
11.5.2 Typische Beispiele für ZCS1135
11.5.2.1 Allgemeines1135
11.5.2.2 Anwendungsbeispiel: Quasiresonante Tiefsetzstellerstruktur1136
11.5.2.3 Pseudoresonante ZCS-Anwendung1140
11.5.3 Typische Beispiele für ZVS1145
11.5.3.1 Allgemeines1145
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 Hilfsschalter1150
11.5.4 Allgemeines zu Pseudoresonanz (Soft Switching) und Active Clamping1155
11.5.5 Soft Switching (Pseudoresonanz) für Wandler mit galvanischer Trennung1158
11.5.5.1 Funktionsweise1161
11.5.5.2 Spannungsbelastung der FETs1165
11.5.5.3 Dynamisches Verhalten1170
11.5.5.4 Stationärer Betrieb1172
11.5.5.5 Beispiele für zeitliche Verläufe1174
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 Trennung1182
11.5.6.1 Allgemeines1182
11.5.6.2 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Hochsetzsteller1183
11.5.6.2.1 Ablauf einer Schaltperiode1183
11.5.6.2.2 Strom- und Spannungsverläufe während der Netz- und Schaltperiode1188
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 Schaltperiode1190
11.5.6.2.7 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode1192
11.5.6.2.8 Vorteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings1192
11.5.6.2.9 Nachteile des vereinfachten (passiven) Soft Switchings1193
11.5.6.3 Funktionsweise des Soft Switchings (Pseudoresonanz) für Tiefsetzsteller1193
11.5.6.3.1 Ablauf einer Schaltperiode1194
11.5.6.3.2 Strom- und Spannungsverläufe während einer Periode1197
11.5.6.3.3 Vorteile1197
11.5.6.3.4 Nachteile1198
11.5.7 Zusammenfassung1198
11.6 Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik1200
11.6.1 Einleitung1200
11.6.2 Aktive Bauelemente1201
11.6.2.1 Leistungshalbleiter (Transistoren)1201
11.6.2.2 Steuerbausteine1210
11.6.2.3 ASIC-Entwicklung1213
11.6.2.3.1 Allgemeines1213
11.6.2.3.2 Beispiel eines primärseitigen ASICs1215
11.6.2.3.3 Beispiel eines sekundärseitigen ASICs1218
11.6.2.3.4 Regelungsmethoden1219
11.6.3 Passive Bauelemente1221
11.6.3.1 Übertrager1221
11.6.3.2 Drosseln (Speicherdrosseln)1231
11.6.3.3 Kondensatoren1233
11.6.4 Regler1234
11.6.5 Fertigungsaspekte1236
11.6.6 Spezielle Anforderungen auf Grund von Normenänderungen1237
11.6.7 Weitere Ausblicke und Trends1238
11.7 Praktische Aspekte1239
11.7.1 Einfluß der Wicklungskapazität auf Spannungsform und Schaltverhalten1239
11.7.1.1 Einfluß der Schaltungsanordnung auf die effektive Wicklungskapazität1239
11.7.1.2 Kuppeleffekt1241
11.7.2 Auswirkungen von Streuinduktivitäten in Schaltnetzteilen1245
11.7.2.1 Allgemeines1245
11.7.2.2 Schaltungsbeispiel Durchflußwandler1246
11.7.2.2.1 Betrieb ohne Streuinduktivität1247
11.7.2.2.2 Effekte der Streuinduktivität bei einfachem Ausgang1248
11.7.2.2.3 Auswirkungen auf die Kreuzregelung bei mehreren Ausgängen1250
11.7.3 Verluste bei nichtidealen Schaltnetzteilen1260
11.8 Literatur1262
12. Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen1265
12.1 Regelungskonzepte für Schaltnetzteile1265
12.1.1 Grundlagen1265
12.1.2 Regelung von Schaltnetzteilen – Überblick1269
12.1.2.1 Allgemeines1269
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-Kompensation1274
12.1.2.4.1 Allgemeines zur Stromregelung1274
12.1.2.4.2 Spezielle Probleme der Spitzenwert-Stromregelung1281
12.1.2.4.3 Subharmonische Schwingneigung1289
12.1.2.4.4 Strommittelwerte, Stromrippel und Topologievergleich1295
12.1.2.5 Mittelwert-Stromregelung (MW-CMC)1300
12.1.2.6 Vergleich der Stabilität von Spitzenwert- und Mittelwert-Stromregelung1303
12.1.3 Regelungskonzepte am Beispiel des Buck-Konverters im nichtlückenden Betrieb1304
12.1.3.1 Allgemeines1304
12.1.3.2 Direkte Regelung des Tastverhältnisses D (DDC)1308
12.1.3.2.1 Der Regelkreis und seine Komponenten1308
12.1.3.2.2 Regelschleife und Regelkreis1315
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 Komponenten1326
12.1.3.3.2 Regelschleife und Regelkreis1328
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 Komponenten1333
12.1.3.4.2 Regelschleife und Regelkreis1339
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 Komponenten1346
12.1.3.5.2 Innere Regelschleife und Stromregelkreis1349
12.1.3.5.3 Zahlenbeispiel1356
12.1.3.5.4 Äußerer (Spannungs-)Regelkreis und seine Komponenten1362
12.1.3.5.5 Äußere Regelschleife und Spannungsregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis1365
12.1.3.5.6 Zahlenbeispiel [Dimensionierung des (äußeren) Spannungsreglers]1368
12.1.4 Übertragungsfunktionen – Überblick1372
12.1.4.1 Direkte Tastverhältnisregelung1373
12.1.4.1.1 Nichtlückender (= kontinuierlicher) Strom1373
12.1.4.1.2 Lückender (= diskontinuierlicher) Strom1373
12.1.4.2 Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen1373
12.1.4.2.1 Nichtlückender Strom1373
12.1.4.2.2 Lückender Strom1374
12.1.4.3 Stromregelung1374
12.1.4.3.1 Spitzenwert-Stromregelung1374
12.1.4.3.2 Mittelwert-Stromregelung1376
12.1.4.4 Regler-ICs (SNT-ICs)1379
12.1.5 Anhang1379
12.1.5.1 MATLAB1379
12.1.5.2 ANA1381
12.2 Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile1381
12.2.1 Allgemeines1381
12.2.2 Übertragungsfunktionen des Buck-Konverters1382
12.2.2.1 Kontinuierlicher Betrieb1382
12.2.2.2 Diskontinuierlicher Betrieb1386
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 Betrieb1398
12.2.4 Übertragungsfunktionen der sechs Grundtypen1403
12.2.5 Anmerkungen zu Tafel 12.11407
12.2.5.1 Allgemeines1407
12.2.5.2 Prinzipielles zur Formulierung von Steuerungsgesetzen1411
12.2.5.3 Ergänzende Erläuterungen zu den Regelungsmethoden1411
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-Konverter1421
12.2.6 Zusammenfassung1424
12.3 Boost-Konverter – Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen1425
12.3.1 Nichtlückender Betrieb1425
12.3.1.1 Statisches und stationäres Verhalten1425
12.3.1.2 Kleinsignalübertragungsfunktionen (stationäres Verhalten)1429
12.3.1.3 Schaltungssimulation1435
12.3.1.4 Vergleich der Kleinsignalübertragungsfunktionen mit der Literatur1437
12.3.1.5 Linearisierung der statischen Steuerkennlinie1447
12.3.1.6 Mathematische Analyse der Übertragungsfunktion GU2D(s)1451
12.3.1.7 Regelung des Boost-Konverters1454
12.3.1.7.1 Direkte Regelung des Tastverhältnisses1456
12.3.1.7.2 Mittelwert-Stromregelung für nichtlückenden Betrieb1466
12.3.1.7.3 Eingangsstromregelung (beim Boost-Konverter, Anwendung für PFC)1471
12.3.2 Lückender Betrieb1473
12.3.2.1 Kleinsignalübertragungsfunktionen1473
12.3.2.2 Mittelwert-Stromregelung für den diskontinuierlichen Betrieb1483
12.3.3 Betriebsbereiche1486
12.4 Buck-Boost (Flyback-)Konverter – Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte1489
12.4.1 Allgemeines1489
12.4.2 Regelungskonzepte und Übertragungsfunktionen (für nichtlückenden Betrieb) am Beispiel des Buck-Boost-Konverters1491
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 Stromregelung1495
12.4.2.3.1 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Ausgangsstromes1496
12.4.2.3.2 Übertragungsfunktionen für die Regelung des Eingangsstromes (beim Buck-Boost-Konverter, Anwendung für PFC)1497
12.4.3 Regler1499
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 Reglerstrukturen1506
12.4.3.4 Stromregelung (= Current Mode Control, CMC) – Ergänzungen1507
12.4.3.4.1 Slope-Kompensation1507
12.4.3.4.2 Mittelwert-(MW-) und Spitzenwert-(SW-)Stromregelung1508
12.4.4 Dimensionierungsbeispiele1508
12.4.4.1 Nichtlückender Betrieb, direkte Regelung des Tastverhältnisses (DDC)1509
12.4.4.1.1 Regelstrecke1509
12.4.4.1.2 Reglerdimensionierung1513
12.4.4.2 Lückender Betrieb, Stromregelung1517
12.4.4.2.1 Regelstrecke1519
12.4.4.2.2 Reglerdimensionierung1522
12.5 Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen1523
12.5.1 Funktion von SEPIC-Konvertern mit gekoppelten Spulen1523
12.5.1.1 Schaltung1523
12.5.1.2 Funktionsweise1524
12.5.1.3 Wirkung der gekoppelten Spulen1525
12.5.1.4 Prinzipielles zur Regelung1526
12.5.1.5 Messung des Schalterstromes1527
12.5.1.6 Eingangsstrombegrenzung1527
12.5.1.7 Zero-Voltage Transition1529
12.5.1.7.1 Ausschaltverluste1529
12.5.1.7.2 Einschaltverluste1529
12.5.1.7.3 Reduktion der Verluste1529
12.5.2 Mögliche Reglerauslegung1530
12.5.2.1 SEPIC-Übertragungsfunktion1530
12.5.2.2 Stromregler1531
12.5.2.3 Überlagerter Spannungsregler1540
12.5.2.4 Direkte Spannungsregelung1541
12.5.3 Analyse der SEPIC(-Konverter)-Stromregelschleife1541
12.6 Regelung von Schaltnetzteilen – Ergänzungen und Beispiele1555
12.6.1 Beispiele einfacher Übertragungsfunktionen und Bodediagramme1556
12.6.1.1 Grundsätzliches zur Bezeichnungsweise1556
12.6.1.2 Schaltkreise erster Ordnung1558
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 Ordnung1564
12.6.2 Analyse der Stabilität1569
12.6.2.1 Allgemeines1569
12.6.2.2 Regelung1569
12.6.2.3 Übertragungsfunktion1570
12.6.2.4 Stabilität1570
12.6.3 Beispiele für Übertragungsfunktionen und Regelung von Schaltnetzteilen1571
12.6.3.1 Einführung1571
12.6.3.2 Leistungskreis und Filter (T3(s))1571
12.6.3.2.1 Allgemeines1571
12.6.3.2.2 Buck-Konverter im Trapezmodus1575
12.6.3.2.3 Buck-Boost-Konverter im Dreieckmodus1575
12.6.3.3 PWM-Modulator (T2(s))1578
12.6.3.3.1 Modulator mit direkter Regelung des Tastverhältnisses1578
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 Stromregelung1579
12.6.3.4 Regler (T1(s))1583
12.6.3.4.1 Strukturen1583
12.6.3.4.2 Anwendungsbereiche1587
12.6.3.4.3 Maximale Durchtrittsfrequenz fD,max1589
12.6.3.5 Rechenbeispiele1596
12.6.3.5.1 Buck-Boost-Konverter im lückenden Betrieb1596
12.6.3.5.2 Buck-Konverter im nichtlückenden Betrieb1599
12.6.4 Betragsanschmiegung – Reglerauslegung nach dem Betragsoptimum und dem Symmetrischen Optimum1600
12.6.4.1 Allgemeines1600
12.6.4.2 Optimierungsgleichungen1602
12.6.4.3 Betragsoptimum1603
12.6.4.4 Symmetrisches Optimum1607
12.6.5 Störungsrechnung1611
12.7 Steuer- und Regelschaltungen für Schaltnetzteile (SNTs)1613
12.7.1 Grundlagen1613
12.7.1.1 Steuer- und Regelschaltung auf der Primärseite1614
12.7.1.1.1 Durchflußwandler1614
12.7.1.1.2 Sperrwandler1615
12.7.1.1.3 Übertragung der Ausgangsspannung mit einem Hilfswandler1615
12.7.1.2 Steuer- und Regelschaltung auf der Sekundärseite1617
12.7.1.3 Aufgeteilte Steuer- und Regelschaltung1618
12.7.2 Die integrierten Steuerbausteine der Familien TDA 47xx und TDA 49xx1620
12.7.2.1 Integrierte Steuerschaltungen der Reihe TDA 47xx1620
12.7.2.1.1 Allgemeines1620
12.7.2.1.2 Schaltungsbeschreibung1621
12.7.2.1.3 Impulsdiagramm und Erklärung der Zeitverläufe1625
12.7.2.1.4 Dimensionierung der IC-Beschaltung1629
12.7.2.2 Anwendungsbeispiel eines TDA 47181632
12.7.2.3 Anwendungen des Steuer-ICs TDA 4718 zur Stromregelung1633
12.7.2.4 Integrierte Steuerschaltung TDA 49xx1635
12.8 Neuere Regelungs-ICs für Schaltnetzteile1635
12.8.1 Entwicklungsgeschichte1635
12.8.2 Regelung mittels Voltage Mode Control1636
12.8.3 Regelung von Schaltnetzteilen mittels Spitzenwert-Stromregelung1643
12.8.4 Beschreibung des UC38421644
12.8.5 Der verbesserte Baustein UCC38001650
12.8.6 Bauteile für Mittelwert-Stromregelung und PFC1653
12.9 Praktische Aspekte – Verbesserung der Kreuzregelung1653
12.9.1 Einleitung1653
12.9.2 Schaltungsanalyse mit unabhängigen Spulen1654
12.9.3 Verwendung gekoppelter Filterspulen1655
12.9.3.1 Wirkungsprinzip1655
12.9.3.2 Vorteile der Kopplung1663
12.9.3.3 Analyse mit äquivalentem Schaltkreis1664
12.9.3.4 Steuerung des Stromrippels1666
12.9.3.5 Schließen der Regelschleife1667
12.10 Literatur1667
13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen1701
13.1 Gleichstromsteller1701
13.1.1 MGD/GTO-Gleichstromsteller – Allgemeines1701
13.1.2 Beschaltungen für MGDs /GTOs in Gleichstromstellerschaltungen1702
13.1.2.1 Standard-RCD-Beschaltung1703
13.1.2.2 Verlustarme LCD-Beschaltung1709
13.2 Wechselrichter1720
13.2.1 Allgemeines1720
13.2.2 Beschaltung von Ventilen in Wechselrichterschaltungen1721
13.2.2.1 Wechselrichter mit RCD-Beschaltung1722
13.2.2.1.1 Ausschalten eines Ventils1723
13.2.2.1.2 Einschalten eines Ventils1725
13.2.2.2 Symmetrische Wechselrichterbeschaltung (nach McMurray)1728
13.2.2.3 Unsymmetrische Wechselrichterbeschaltung1732
13.3 Zusammenfassung1741
13.4 Literatur1741
14. Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen1743
14.1 Allgemeines1743
14.2 Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen1744
14.2.1 Leistungskreise1744
14.2.1.1 Einführung1744
14.2.1.2 Gleichrichter mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (Boost-Konverter)1748
14.2.1.2.1 Hochsetzsteller ohne Potentialtrennung1748
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 Gleichrichterstrukturen1757
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 Netzrückwirkungen1778
14.3.1 Übersicht1778
14.3.1.1 Diodenbrückenschaltung mit (auf Gleichstromseite) nachgeschaltetem Hochsetzsteller1779
14.3.1.2 Diodenbrücke und Hochsetzstellerstruktur mit Induktivitäten auf der Wechselstromseite1780
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 Steuerungen1782
14.3.2.1 Diodenbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (auf Gleichstromseite)1782
14.3.2.2 Diodenbrückenschaltung und Hochsetzsteller mit netzseitigen Induktivitäten1785
14.3.2.3 Struktur mit drei bzw. sechs (abschaltbaren) Leistungsschaltern1789
14.4 Vienna Rectifier1790
14.4.1 Vienna Rectifier I1791
14.4.2 Vienna Rectifier II1802
14.4.3 Zusammenfassung1821
14.5 Analyse der dreiphasigen AC–DC-Pulsumrichter –Raumzeigerdarstellungen, Grund- und Oberschwingungen1822
14.5.1 Allgemeines1822
14.5.2 Umrichterspannung – makroskopische Betrachtung1823
14.5.3 Systembeschreibung über Raumzeiger1827
14.5.4 Umrichterspannung – mikroskopische Betrachtung1829
14.5.5 Ausgangsspannung und Oberschwingungen bei Pulsbetrieb1830
14.5.6 Aufspaltung des Freilaufzustandes1835
14.5.7 Erhöhung des Aussteuerbereiches1840
14.5.8 Raumzeigermodulation1844
14.5.9 Raumzeiger für Dreiniveausysteme1850
14.6 Sieb- und Gleichrichterschaltungen1854
14.6.1 Gleichrichterschaltungen1854
14.6.1.1 Grundtypen von Gleichrichterschaltungen1854
14.6.1.1.1 Halbwellengleichrichter (Einweggleichrichter)1854
14.6.1.1.2 Zweiweggleichrichter1856
14.6.1.1.3 Brückengleichrichter1856
14.6.2 Siebschaltungen – Allgemeines1858
14.6.2.1 Strom- und Spannungskomponenten1858
14.6.2.2 Grundfrequenzen der Brummgrößen1859
14.6.2.3 Berechnungsgrundlagen für die Brummspannung1860
14.6.2.4 Frequenzkomponenten der Brummspannung1861
14.6.2.5 Kenngrößen von Siebschaltungen1861
14.6.2.6 Vierpoleigenschaften1862
14.6.2.7 Siebschaltungen bei zeitlich wechselnder Last1864
14.6.3 Siebschaltungen – Spezielle Ausführungsformen1864
14.6.3.1 Tiefpaß-L–C-Ketten1864
14.6.3.2 L–C-Siebketten-Dimensionierung1866
14.6.3.3 Tiefpaß-R–C-Ketten1870
14.6.3.4 Frequenzsperren1871
14.6.3.5 R–C-Frequenzsperren (Doppel-T-Glieder)1873
14.6.3.6 Elektronische (aktive) Filter1874
14.7 Methoden für die Stromrippelminimierung1881
14.7.1 C´uk-Konverter mit gekoppelten Spulen1881
14.7.1.1 Umformung der Struktur1881
14.7.1.2 Filterwirkung und Rippelunterdrückung1884
14.7.1.3 Erklärung der Rippelunterdrückung anhand des Superpositionsprinzips1885
14.7.2 Hochsetzsteller mit reduziertem Eingangsstromrippel1886
14.7.2.1 Schaltkreisanalyse1886
14.7.2.2 Vor- und Nachteile der Realisierungsvarianten eines Hochsetzstellers mit reduziertem Rippel1888
14.7.3 ?uk-Konverter mit reduziertem Rippel ohne gekoppelte Spulen1889
14.7.3.1 ?uk-Konvertertopologien „ohne“ Stromrippel1889
14.7.3.2 Einfluß eines Spannungsrippels am Koppelkondensator auf den Stromrippel1889
14.7.3.3 Vor- und Nachteile der ?uk-Konverter mit reduziertem Stromrippel1893
14.7.4 Buck- und Boostkonverter mit integriertem Filter1893
14.7.5 SEPIC(-Konverter) mit reduziertem Eingangsstromrippel1894
14.8 Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen1897
14.9 Literatur1900
15. Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele1905
15.1 Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung1905
15.1.1 Allgemeines und Anwendungsgebiete1905
15.1.2 Kernmaterialien und Kernformen1905
15.1.2.1 Allgemeines1905
15.1.2.2 Formen des Magnetismus1906
15.1.2.2.1 Ferromagnetische Metalle1906
15.1.2.2.2 Diamagnetische Materialien1908
15.1.2.2.3 Paramagnetische Materialien1908
15.1.2.2.4 Antiferromagnetismus1908
15.1.2.2.5 Ferrimagnetismus1908
15.1.2.2.6 Metamagnetismus1908
15.1.2.3 Materialstrukturen und Kerntypen1909
15.1.2.3.1 Kristalline und amorphe Metalle (Verbindungen)1909
15.1.2.3.2 Ferritkerne1909
15.1.2.3.3 Pulverkerne1910
15.1.2.3.4 Eisenkerne1911
15.1.2.4 Zusammenfassung1911
15.1.3 Isolier-, Verguß- und Lötwerkstoffe1911
15.1.4 Wickeldrähte für Transformator- und Spulenwicklungen1914
15.1.5 Dimensionierung von Transformatoren und weiteren Bauelementen1914
15.1.5.1 Beispiel: Dimensionierung eines 45 W-Sperrwandlers1914
15.1.5.1.1 Grundlegende Bemerkungen zur Schaltung1915
15.1.5.1.2 Betriebsart1915
15.1.5.1.3 Festlegung des Übersetzungsverhältnisses1916
15.1.5.1.4 Berechnung der Hauptinduktivität1918
15.1.5.1.5 Transformatorberechnung1921
15.1.5.1.6 Transistorspitzenstrom1933
15.1.5.1.7 Tastverhältnis1934
15.1.5.1.8 Diodenspitzenstrom1935
15.1.5.1.9 Leitverluste bei Bipolartransistoren1935
15.1.5.1.10 Leitverluste bei MOS-Transistoren1936
15.1.5.1.11 Diodenverluste1937
15.1.5.1.12 Ausgangskondensator1941
15.1.5.2 Beispiel: Dimensionierung eines Durchflußwandlers1943
15.1.5.2.1 Dimensionierung von Gleichrichter und Siebkondensator1943
15.1.5.2.2 Versorgung der Steuerschaltung1945
15.1.5.2.3 Dimensionierung der Steuerschaltung1945
15.1.5.2.4 Unter- und Überspannungsüberwachung1948
15.1.5.2.5 Auswahl und Berechnung des Transformators1951
15.1.5.2.6 Berechnung der Drossel1957
15.1.5.2.7 Ausgangskondensator1959
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 Bauformen1966
15.1.8 Aktive Klemmschaltungen1969
15.1.9 Spulen1969
15.2 Skin- und Proximityeffekte in Transformatorwicklungen1971
15.2.1 Skineffekt1971
15.2.2 Proximityeffekt (Nähewirkung)1975
15.2.2.1 Doppelleitung1975
15.2.2.2 Mehrlagige Wicklung1977
15.2.2.2.1 Verluste bei Folien-(Flachdraht-)Wicklungen (rechteckige Leiter)1977
15.2.2.2.2 Äquivalenzen zwischen Rund- und Flachdraht1988
15.2.2.2.3 Verluste bei Runddrahtwicklungen1991
15.2.2.2.4 Verluste bei nichtsinusförmigen Strömen1991
15.3 Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste1995
15.3.1 Ferrite und Bauformen (Beispiele)1995
15.3.2 Minimierung der Verluste von Schaltnetzteiltransformatoren2000
15.3.2.1 Spannungsgleichung2000
15.3.2.2 Leistungsgleichung2002
15.3.2.3 Wicklungsverluste2003
15.3.2.4 Kernverluste2004
15.3.2.5 Minimierung der Verluste2004
15.4 Leistungsübertrager und Spulen – Entwurf und Dimensionierung2006
15.4.1 Magnetische Kreise für Energieübertragung und Isolation2006
15.4.1.1 Allgemeines2006
15.4.1.2 Bestimmung der Schwankungsbereiche der magnetischen Induktion2009
15.4.1.3 Bestimmung der Kerngröße2010
15.4.1.4 Berechnung der Windungszahlen2015
15.4.2 Magnetische Kreise für Anwendungen mit Gleichstromvormagnetisierun bzw. zur Energiezwischenspeicherung2017
15.4.2.1 Auswahl des Kernmaterials2017
15.4.2.2 Bestimmung der maximalen Flußdichte2019
15.4.2.3 Bestimmung der Kerngröße2019
15.4.2.4 Berechnung der Windungszahl2021
15.4.2.5 Berechnung des Luftspaltes2021
15.4.3 Hinweise zum Entwurf von Wicklungen2023
15.4.3.1 Allgemeines2023
15.4.3.2 Transformatoren mit Teilwindungen2025
15.4.3.2.1 Notwendigkeit von Teilwindungen2025
15.4.3.2.2 Realisierung von Teilwindungen2026
15.5 Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten2032
15.5.1 Allgemeines2032
15.5.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes2032
15.5.3 Berechnung der Streuinduktivität bei konzentrischen Spulen2034
15.5.3.1 Grundsätzliches2034
15.5.3.2 Berechnung auf Basis der magnetischen Energiedichte2039
15.5.3.3 Berechnung über den Fluß2040
15.5.3.4 Verschachtelte Wicklungen2041
15.5.4 Ringkern und Ferritperle2042
15.5.5 Beziehung zwischen Kernparametern, Luftspaltlängen und AL-Werten2044
15.6 Kondensatoren2045
15.6.1 Grundsätzliches zum Aufbau2045
15.6.2 Auswahlkriterien nach Anwendung2048
15.6.3 Zusammenschalten mehrerer Kondensatoren2050
15.6.4 Typische Kennlinien und ihre Bedeutung2051
15.7 Magnetische Materialien und Kondensatoren – Begriffe2056
15.7.1 Magnetbauteile2056
15.7.1.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen2057
15.7.1.2 Allgemeine Bemerkungen2073
15.7.1.2.1 Ferromagnetismus – Weißsche Bezirke2073
15.7.1.2.2 Transformatoren (Übertrager)2074
15.7.1.2.3 Drosseln – Spulen – Induktivitäten2074
15.7.1.2.4 Kerne für induktive Sensoren2074
15.7.1.2.5 Transformatorkernauswahl für Leistungsanwendungen2075
15.7.1.2.6 Kernmaterialien2075
15.7.1.2.7 Kernbezeichnungen2077
15.7.2 Kondensatoren2078
15.7.2.1 Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen2078
15.7.2.2 Neue Entwicklungen: Superkondensatoren2079
15.7.2.2.1 Aufbau2080
15.7.2.2.2 Kenngrößen2080
15.7.2.2.3 Typische Kennwerte2081
15.7.2.2.4 Anwendungen – Einsatzmöglichkeiten2081
15.7.2.3 Weiterführende Literatur2082
15.8 Literatur2082
Anhang 15A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren C und Ki sowie Rhombusdiagramm2085
15A.1 Berechnungsgrundlagen2085
15A.2 (Charakteristische) Faktoren für Transformatoren für typische Schaltungen2091
15A.2.1 Eintaktdurchflußwandler2091
15A.2.2 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung2093
15A.2.3 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung2094
15A.2.4 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung2095
15A.2.5 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunktsgleichrichtung2097
15A.2.6 Sperrwandler2098
15A.3 Ableitungen der Transformatorgleichungen2099
15A.3.1 Sperrwandler2099
15A.3.2 Durchflußwandler und verwandte Strukturen2103
15A.4 Rhombusdiagramm2105
16. Spezielle Methoden und Anwendungen2121
16.1 Überblick und typische Beispiele2121
16.1.1 Allgemeines2121
16.1.2 Stromversorgungen für höhere Leistungen2122
16.1.2.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)2122
16.1.2.2 Pulsgleichrichter bzw. -umrichter2123
16.1.3 Erzeugung von Wechselspannungen mit optimiertem Oberschwingungsgehalt2124
16.1.4 Antriebstechnik2128
16.1.4.1 Gleichstromantriebe2128
16.1.4.1.1 DC-Motor im Zwei- und Vierquadrantenbetrieb2128
16.1.4.1.2 Feldstromversorgung von Gleichstrommaschinen2130
16.1.4.2 Wechselstromantriebe2130
16.1.5 Schaltentlastung und Erzeugung von Gleichspannungen2133
16.1.5.1 Allgemeines2133
16.1.5.2 Gleichspannungs-(DC–DC-)Konverter mit Schaltentlastung2134
16.1.6 Verbesserung des Schaltverhaltens2139
16.1.6.1 Allgemeines2139
16.1.6.2 Hartes Schalten2140
16.1.6.3 ZVS2141
16.1.6.4 ZCS2142
16.1.6.5 Einfluß von Streukapazitäten und -induktivitäten2143
16.1.7 Weitere Anwendungen und Schaltungsaspekte2147
16.1.7.1 Induktionsheizung2147
16.1.7.2 Schweißtechnik2150
16.1.7.3 Ansteuerungsprobleme2150
16.1.7.4 Weitere Anwendungen2151
16.2 Sperrschwingwandler2151
16.2.1 Allgemeines2151
16.2.2 Dimensionierung und Simulation eines konkreten Beispiels2153
16.2.2.1 Dimensionierung2153
16.2.2.2 Ergebnisse der Simulation2155
16.2.2.3 Detaillierte Betrachtung des Umschaltvorgangs zwischen Entlade- und Ladephase2156
16.2.3 Modifizierte Schaltung2157
16.2.3.1 Schaltungsauslegung2157
16.2.3.2 Nachdimensionierung der Schaltung2158
16.2.4 Berücksichtigung einer Streuinduktivität im Ladekreis2160
16.2.4.1 Allgemeines2160
16.2.4.2 Funktion der Transistorschutzschaltung2161
16.2.5 Abhängigkeit der Ausgangsspannung ULa vom Lastwiderstand RLa2166
16.2.6 Modellparameter für PSPICE2168
16.3 Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC2174
16.3.1 Allgemeines2174
16.3.2 Typen von Entladungslampen2174
16.3.3 Aufbau und Betriebsverhalten der Leuchtstoffröhren als Beispiel für Niederdruck-Entladungslampen2175
16.3.4 Ansteuerschaltungen für den Betrieb von Niederdruck-Entladungslampen – Allgemeines2177
16.3.5 Konventionelle Vorschaltgeräte2177
16.3.6 Elektronische Vorschaltgeräte – Allgemeines2178
16.3.7 Schaltungen von Vorschaltgeräten mit Gleichspannungseingang2179
16.3.7.1 Elektronisches Vorschaltgerät mit selbstschwingender Brücke2180
16.3.7.1.1 Allgemeine Erklärung der Schaltungsfunktion und Erläuterungen zur Bauteildimensionierung2180
16.3.7.1.2 Herleitung der Schaltungsstruktur2181
16.3.7.1.3 Anschwingen der Wechselrichterhalbbrücke vor dem Zünden der Lampe2182
16.3.7.1.4 Verhalten nach dem Zünden2182
16.3.7.2 Elektronisches Vorschaltgerät mit integrierter Ansteuerschaltung2188
16.3.7.3 Vorkehrungen zur Optimierung des Netzverhaltens (Aspekte zum Netzverhalten)2191
16.3.8 Ansteuerschaltungen (ICs) für Leuchtstofflampen2192
16.3.8.1 Allgemeines2192
16.3.8.2 PFC-Eingangsstufe2195
16.3.8.3 Vorschaltgerät2198
16.3.8.4 Spannungsversorgungen und Ansteuerfunktionen2203
16.3.8.4.1 Prinzipielle Arbeitsweise2203
16.3.8.4.2 Zusätzliche Funktionen2205
16.3.9 Einstufen-Power-Factor-Correction (PFC) mit regelbarer Ausgangsgleichspannung und Induktivität im Eingangskreis2206
16.3.9.1 Einleitung2206
16.3.9.2 Schaltungsanalyse2207
16.3.9.2.1 Allgemeines2207
16.3.9.2.2 Betriebszustände2208
16.3.9.3 Zusammenfassung2212
16.3.9.3.1 Kondensatorstrom und -spannung2212
16.3.9.3.2 Leitdauer2212
16.3.10 Einstufige Lampenansteuerungen mit integrierter PFC ohne Induktivität im Eingangskreis2213
16.3.10.1 Einführung2213
16.3.10.2 Spannungsquellenprinzip2215
16.3.10.2.1 Allgemeines2215
16.3.10.2.2 PFC-Funktion2217
16.3.10.2.3 Inverterfunktion2222
16.3.10.3 Stromquellenprinzip2227
16.3.10.4 Kombiniertes Strom- und Spannungsquellenprinzip2236
16.3.10.5 Anmerkung zum Betriebsverhalten und zur Dimensionierung2238
16.4 Matrixumrichter2239
16.4.1 Grundidee2239
16.4.1.1 Entwurf und einphasige Last2240
16.4.1.2 Dreiphasige Last2244
16.4.2 Realisierungsmöglichkeiten2247
16.4.2.1 Idealisierte Pulsmuster2247
16.4.2.2 Schaltelemente und Steuerung2250
16.4.3 Versuchsergebnisse2255
16.4.4 Zusammenfassung2255
16.5 Solarkonverter2257
16.5.1 Einleitung2257
16.5.1.1 Historisches und Allgemeines2257
16.5.1.2 Wirkungsgrad und energetische Amortisation2257
16.5.2 Solarzellen2258
16.5.2.1 Aufbau2258
16.5.2.2 Ersatzschaltbilder2259
16.5.2.3 Kennlinien der Solarzelle2261
16.5.2.3.1 Dunkelkennlinie2261
16.5.2.3.2 Kennlinie der bestrahlten Solarzelle2261
16.5.2.4 Arbeitspunkt von Solarzellen2263
16.5.3 Energiespeicher2264
16.5.4 Laderegler2265
16.5.4.1 Serienregler2266
16.5.4.2 Shuntregler2267
16.5.5 Anpaßwandler2267
16.5.6 MPP-Tracker2269
16.5.6.1 Arbeitsprinzipien von MPP-Trackern2270
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 Akkumulatoren2270
16.5.7 Wechselrichter2272
16.5.7.1 Anforderungen2272
16.5.7.2 Konzepte2273
16.5.7.3 Anpassung Solargenerator – Wechselrichter2275
16.5.8 Photovoltaiksysteme2276
16.5.8.1 Autarke Photovoltaikanlagen bzw. Inselsysteme2276
16.5.8.2 Netzgekoppelte Systeme2278
16.5.9 Trends2280
16.5.9.1 Allgemein2280
16.5.9.2 Inselanlagen2280
16.5.9.3 Netzgekoppelte Anlagen2280
16.5.10 Normen und Vorschriften2281
16.5.11 Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen2281
16.5.12 ISO 14000 – Einführung in die Photovoltaikindustrie2283
16.5.12.1 Markante Punkte der Norm ISO 140002284
16.5.12.2 Schlüsselmerkmale der Norm ISO 14001 (parallel zu ISO 9001)2284
16.5.12.3 Wichtige Aspekte von ISO 14001 zu Umweltfragen2284
16.6 Verstärker2284
16.6.1 Einleitung2284
16.6.2 Leistungsverstärker im D-Betrieb2285
16.6.2.1 Allgemeines und Schaltverstärker mit Halbbrücke2285
16.6.2.2 Schaltverstärker in Multizellenstruktur (Multicellverstärker) mit Vollbrücken2290
16.6.2.3 Strom- und Spannungsregelung2294
16.6.2.3.1 Allgemeines2294
16.6.2.3.2 Modellbildung und grundsätzliche Voraussetzungen2294
16.6.2.3.3 Dimensionierung des Reaktanzfilters2299
16.6.2.3.4 Kaskadierte Strom- / Spannungsregelung2302
16.6.2.3.5 Dimensionierung des Stromreglers2303
16.6.2.3.6 Dimensionierung des Spannungsreglers2312
16.6.2.4 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker (ALS-Verstärker)2316
16.6.2.4.1 Prinzipielle Funktionsweise2316
16.6.2.4.2 Dimensionierung des Ausgangsfilters2322
16.6.2.4.3 Regelung2322
16.6.3 Kombination von Schalt- und Linearverstärkern2323
16.6.3.1 Allgemeines2323
16.6.3.2 Direkte Kopplung von linearem und schaltendem Verstärker2323
16.6.3.3 Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker mit hybridem Ausgangsfilter2327
16.6.4 Verstärker für Audiosysteme und weitere Anwendungen2329
16.6.4.1 Allgemeines zur Klassifizierung von Leistungsverstärkern2329
16.6.4.2 Klasse E-Verstärker (für frequenzabgestimmte Systeme, z. B. Sender)2331
16.7 Netzgekoppelte Pulsumrichter – Aktive Rippelkompensation2334
16.7.1 Einleitung2334
16.7.2 Grundkonzepte, netz- und schaltfrequente Oberschwingungen2336
16.7.3 Kopplungsstufe2344
16.7.4 Regelung der Filterumrichterspannung2346
16.7.5 Signalrippelfilter (SRF)2349
16.7.6 Filterstromregelung2353
16.7.7 Spannungsregelung für den Filterumrichter2357
16.7.8 Niederfrequente Schwingungen und Regelung des Hauptumrichters2358
16.7.9 Anwendung der Multizellenstruktur2363
16.7.10 Zusammenfassung2370
16.8 Leistungselektronik im KFZ2373
16.8.1 Einleitung2373
16.8.2 Spannungsregelung im KFZ2373
16.8.2.1 Konventionelle Linearregler2374
16.8.2.2 Linearregler mit kleinem Spannungsabfall LDO (= Low Drop Out)2375
16.8.2.3 Betrachtung des LDO-Regelkreises2376
16.8.2.4 Überbrückung von Spannungseinbrüchen2381
16.8.3 Ansteuerung von Magnetventilen (z. B. für elektronische Einspritzung)2383
16.8.3.1 Allgemeines2383
16.8.3.2 Magnetventilansteuerung mit L91402384
16.8.4 Antriebssysteme mit Brennstoffzellen2386
16.8.4.1 Allgemeines2386
16.8.4.2 Bidirektionaler DC–DC-Konverter2387
16.8.5 Pulswechselrichter2390
16.8.5.1 Allgemeines2390
16.8.5.2 Multizellenkonverter2390
16.8.5.3 Multilevelkonverter2394
16.8.6 Bordnetze mit 42 V2396
16.8.6.1 Allgemeines2396
16.8.6.2 DC–DC-Konverter für 42 V-Bordsysteme2396
16.8.6.3 Smart Power Devices2399
16.8.6.3.1 Sicherheitseinrichtungen2399
16.8.6.3.2 Active Clamping2401
16.8.6.3.3 Unterbrechung der Masse2401
16.8.7 Beleuchtungstechnik2402
16.8.8 Brennstoffzellen2403
16.8.8.1 Einleitung2403
16.8.8.2 Brennstoffzellensysteme2406
16.8.8.3 DMFC2407
16.8.8.3.1 Einleitung2407
16.8.8.3.2 Funktionsweise2407
16.8.8.3.3 Stationäre Kennlinien2409
16.8.8.4 Dynamisches Verhalten der Brennstoffzellen2411
16.8.8.5 DMFC-Antrieb2413
16.9 Beeinflussungen der Arbeitsweise2415
16.9.1 Allgemeines2415
16.9.2 Wechselrichterkippen und Überströme zufolge Netzspannungseinbrüchen und -ausfällen bei netzgeführten Systemen2415
16.9.3 Umrichterfehler und Möglichkeiten zur Korrektur2421
16.9.3.1 Ursachen von Umrichterfehlern2421
16.9.3.2 Korrekturmaßnahmen2426
16.9.4 Einfluß von Streuinduktivitäten2426
16.9.4.1 Gegentaktwandler2426
16.9.4.2 Stromverdopplerschaltung2447
16.9.5 Einfluß der Magnetisierungsströme2462
16.9.6 Entlastungsschaltungen – Reduktion von Schaltverlusten und Einfluß parasitärer Elemente2486
16.10 Literatur2496
17. Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung2505
17.1 Allgemeines2505
17.1.1 Grundlegende Begriffsdefinitionen2506
17.1.2 Störfestigkeit (Passive EMV)2507
17.1.3 Störaussendungen (Aktive EMV)2508
17.1.4 Zusammenfassung2509
17.2 EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV)2509
17.2.1 Theoretische EMV-Analyse2510
17.2.2 EMV-Funktionstest2512
17.2.3 Betrachtete physikalische Größen2513
17.2.4 Zusammenfassung2514
17.3 Kopplungsmechanismen2515
17.3.1 Störungskopplung – Grundlagen2515
17.3.2 Galvanische Kopplung2518
17.3.2.1 Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen2519
17.3.2.2 Masseschleifenkopplung2520
17.3.3 Kapazitive Kopplung2520
17.3.4 Induktive Kopplung2521
17.3.5 Elektromagnetische Kopplung2523
17.3.5.1 Wellenleiterkopplung2523
17.3.5.2 Strahlungskopplung2524
17.3.6 Identifikation von Kopplungsmechanismen2526
17.4 Störquellen (Aktive EMV)2527
17.4.1 Einteilung nach dem Spektrum2528
17.4.2 Schmalbandige Störquellen2528
17.4.2.1 Systeme mit Netzrückwirkungen – Allgemeines2528
17.4.2.2 Leistungselektronische Schaltungen2530
17.4.2.3 HF-Generatoren2531
17.4.2.4 Starkstromleitungen2532
17.4.3 Intermittierende Breitbandstörquellen2532
17.4.3.1 Grundstörpegel („Elektrosmog“)2532
17.4.3.2 Kommutatormotoren2532
17.4.3.3 KFZ-Zündanlagen2533
17.4.3.4 Gasentladungslampen2533
17.4.3.5 Hoch- und Mittelspannungsfreileitungen2533
17.4.4 Transiente Breitbandstörungen2534
17.4.4.1 Elektrostatische Entladungen2534
17.4.4.2 Geschaltete Induktivitäten2536
17.4.4.3 Transienten in Versorgungsnetzen2538
17.4.4.4 Blitze – LEMP2538
17.4.4.5 High Energy Electromagnetic Pulse – HEMP2540
17.4.5 Umgebungsklassen2540
17.4.5.1 Leitungsgebundene Störungen2541
17.4.5.2 Störstrahlung2542
17.5 Störsignale an der Störsenke (Passive EMV)2542
17.5.1 Auswirkung auf Bauelemente2542
17.5.2 Störfestigkeit bei analogen Signalen2544
17.5.3 Störfestigkeit bei digitalen Signalen2544
17.5.4 Ermittlung der Störfestigkeit durch Prüfungen2546
17.5.4.1 Simulation leitungsgebundener Störungen2547
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 Allgemeines2552
17.6.2 Optimierung der Leitungsführung2553
17.6.2.1 Leitungstypen2553
17.6.2.2 Verlegung des Bezugspotentials (Erd- und Masseleitungen)2553
17.6.2.3 Verlegung von Signalleitungen2556
17.6.2.4 Verlegung von Versorgungsleitungen2558
17.6.3 Filterung2560
17.6.3.1 Filterarten2561
17.6.3.2 Aufbau von Filtern2562
17.6.3.3 Entstörfilter2566
17.6.4 Überspannungsableiter2572
17.6.5 Optokoppler und Lichtleiter2573
17.6.6 Trenntransformatoren2573
17.6.7 Differenzverstärker2573
17.6.8 Allgemeine Maßnahmen gegen kapazitive Kopplung2575
17.6.9 Allgemeine Maßnahmen gegen induktive Kopplung2576
17.6.10 Maßnahmen bei Wellenleiter- und Strahlungskopplung2576
17.6.10.1 Allgemeines2576
17.6.10.2 Elektromagnetische Schirme2577
17.6.10.2.1 Berechnung mittels Impedanzkonzeptes2578
17.6.10.2.2 Konkreter Schirmaufbau2581
17.6.11 Maßnahmen zur Reduktion der Störaussendung von Quellen2584
17.6.12 Allgemeines zur Verbesserung der Störfestigkeit2585
17.6.12.1 Grundsätzliches2585
17.6.12.2 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei analogen Systemen2585
17.6.12.3 Maßnahmen und Gesichtspunkte bei digitalen Systemen2585
17.7 EMV-Normung und CE-Kennzeichnung2586
17.7.1 Einführung und Struktur von Normen und Richtlinien2586
17.7.2 Vorgangsweise bei der CE-Kennzeichnung2588
17.7.3 Maschinenrichtlinie2591
17.7.4 Niederspannungsrichtlinie2592
17.7.5 EMV-Richtlinie (Ermittlung von Störfestigkeit und Störaussendung durch Prüfungen)2594
17.7.6 CE-Kennzeichnung bei Stromversorgungen2601
17.7.7 CE-Kennzeichnung in der elektrischen Antriebstechnik2602
17.8 Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung2603
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 Leitungen2616
17.8.7 Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen2616
17.9 Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung2618
17.9.1 Leitungsgebundene Störaussendungen (150 kHz . . . 30 MHz)2619
17.9.2 Oberschwingungen2622
17.9.3 Flicker2625
17.9.4 Strahlungsgebundene Störaussendungen2625
17.10 Einteilungsgrundsätze der Störungsarten und praktische Hinweise2631
17.10.1 Einteilung nach technisch-physikalischen Gesichtspunkten2631
17.10.2 Vergleich der größtenteils genormten Störimpulse und der Netzspannungsbeeinträchtigungen nach Größe und Zeitdauer2632
17.10.3 Einteilung nach „Ursache und Wirkung“2634
17.10.4 Praktische Hinweise zur Störungsproblematik der Leistungselektronik2634
17.10.4.1 Störquellen in Schaltnetzteilen2634
17.10.4.2 Ansatzpunkte zur EMV-Optimierung2638
17.10.4.3 Maßnahmen zur Minimierung von Störungen2638
17.10.4.4 Bauelemente für die Entstörung – Maßnahmen zur nachträglichen Entstörung2639
17.11 Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte2643
17.11.1 Aktualisierte Werte zu den leitungsgebundenen Störgrenzwerten nach Abschnitt 7.3.3 und historischer Überblick2643
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 Berechnung2648
17.12.1 Allgemeines2648
17.12.1.1 Motivation zur analytischen EMV-Behandlung2648
17.12.1.2 Überblick zur praktischen Bedeutung vorliegender Analyse2648
17.12.2 Prinzipielle Gesichtspunkte zur Berechnung der Starkstrombeeinflussung für Nachrichtenkabel2649
17.12.2.1 Im Bereich von Drehstromanlagen2649
17.12.2.1.1 Beeinflussende Leitung2649
17.12.2.1.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel2650
17.12.2.2 Im Bereich von elektrischen Bahnen2650
17.12.2.2.1 Beeinflussende Leitung (Fahrdraht)2650
17.12.2.2.2 Beeinflußtes Nachrichtenkabel2651
17.12.3 Grenzwerte für Spannungen bei Beeinflussungen2652
17.12.3.1 Maximalwerte für Geräusch- und Fremdspannungen2652
17.12.3.2 Maximalwerte von Gefährdungsspannungen2652
17.12.4 Berechnungsformel nach VDE2653
17.12.5 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters in einem Hohlzylinder aus Stahl2654
17.12.6 Fluß in der Schleife des Nachrichtensystems2676
17.12.7 Oberschwingungsgehalt des Speisestromes von thyristorgesteuerten Verbrauchern (Gleichstrommotor-Antrieb) und Gefährdungsspannung2683
17.12.7.1 Idealisiertes Zeitverhalten2683
17.12.7.2 Nichtideales Verhalten2684
17.12.8 Oberschwingungsgehalt und Gefährdungsspannung bei Lastkurzschluß2685
17.12.8.1 Gleiche Stromformen in allen drei Phasenleitern2685
17.12.8.2 Ausfall einer Phase2686
17.12.8.3 Zusammenfassung2687
17.13 Literatur2688
Namen- und Sachverzeichnis2693
Verzeichnis der Tafeln und Tabellen2864

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