Leistungselektronik - ading.ch · Elektronik Grundlagen Leistungselektronik Andreas Zbinden Gewerblich- Industrielle Berufsschule Bern Inhaltsverzeichnis 1 Energieumformungen2 2 Netzgleichrichter2

Elektronik

Grundlagen

Leistungselektronik

Andreas Zbinden

Gewerblich- Industrielle Berufsschule Bern

Inhaltsverzeichnis

1 Energieumformungen 2

2 Netzgleichrichter 22.1 Verhalten von Netztransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Einweggleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Zweiweggleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Mittelpunktschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5 Drehstrom-Gleichrichter in Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Drehstrom-Gleichrichter in Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Gesteuerte Leistungselemente 143.1 Diac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4 IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.5.1 Nullspannungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5.2 Elektronisches Lastrelais ELR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.5.3 Phasenanschnittsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5.4 Schwingungspaketsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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1 Energieumformungen

1 Energieumformungen

Abbildung 1: Möglichkeiten der Energieumformung

· AC-Steller (Wechselstromsteller): Ermöglichen das Verstellen der Amplitude einerWechselspannung bei gleichbleibender Frequenz. Verändert wird die Amplitude derAusgangsspannung durch Phasenanschnitt mittels Thyristoren oder Triacs (z.B. inDimmern).

· Gleichrichter: Wandeln Wechselgrössen in Gleichgrössen.

· Wechselrichter: Wandeln Energie aus Gleichstromquellen in Wechselgrössen um(z.B. in bestimmten Schaltnetzteilen und unterbrechungsfreien Stromversorgun-gen).

· DC-Steller (Gleichstromsteller): Ermöglichen das Verstellen der Amplitude einerGleich-spannung. Es werden zwei Arten unterschieden: Auf- und Abwärtssteller.

2 Netzgleichrichter

2.1 Verhalten von Netztransformatoren

Bei der Berechnung von Gleichrichterschaltungen muss der Transformator mit seinenelektrischen Eigenschaften mitberücksichtigt werden.

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2 Netzgleichrichter

U 0 = LeerlaufspannungRi = InnenwiderstandRN = NennlastUN = NennspannungI = Laststrom

Abbildung 2: Der Transformator als Quelle

In Tabellen zur Netztrafoberechnung ist der Innenwiderstand Ri nicht direkt ersichtlich.Er kann über einen sogenannten Verlustfaktor fv bestimmt werden.

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2 Netzgleichrichter

Abbildung 3: Typische Daten von Mantelkerntrafos (M-Kern) 230V, 50Hz

Abbildung 4: Typische Daten von Ringkerntrafos 230V, 50Hz

Beim Ringkerntrafo sind durch den Aufbau die Streufelder geringer und damit der Ma-gnetisierungsstrom und die Versluste geringer. Die Berechnung eines Trafos ist aufwändigund kann z.B. mit dem Magnetic Designer von Intusoft gemacht werden.

4

2 Netzgleichrichter

2.2 Einweggleichrichter

Abbildung 5: Einweggleichrichter

t

U(t)

t

I(t)

Abbildung 6: Spannungs- und Stromverlauf beim Einweggleichrichter

5

2 Netzgleichrichter

Formeln zur Berechnung des Einweggleichrichters:Die aufgeführten Formeln stammen aus [1] Seite 893.

U 0 = UN · fv (2.2.1)

UL0 =√

2 · UN · fv − UD (2.2.2)PN = α · IL(UL + UD) (2.2.3)

UL = UL0 ·

(1−

√RiRL

)(2.2.4)

USperr = 2√

2 · UN · fv (2.2.5)

IDs =UL0√Ri · RL

(2.2.6)

UBRSS =IL

CL · fN

(1− 4

√RiRL

)(2.2.7)

ULmin ≈ UL− 2

3UBRSS (2.2.8)

U 0 Trafo-Leerlaufspannungfv VerlustfaktorPN Nennleistung Trafoα FormfaktorUL0 Leerlauf-AusgangsspannungUN Nennspannung TrafoUD Diodenspannung 0,7VUL Last-AusgangsspannungRi Innenwiderstand TrafoUSperr Maximale SperrspannungIDs Periodischer SpitzenstromUBRSS Brummspannung Spitze-SpitzefN Netzfrequenz 50HzULmin Minimale Ausgangsspannung

Formfaktor α. Bei Zweiweggleichrichtern: ca. 1.2; bei Einweggleichrichtern ca. 1.5 DerFormfaktor berücksichtigt, dass der Effektivwert des pulsierenden Ladestromes grösserist als der arithmetische Mittelwert. Daher muss die Nennleistung des Trafos grösser seinals die Gleichstromleistung am Ausgang der Gleichrichterschaltung.

Beispiel 2.1.Dimensionieren Sie eine Einweggleichrichterschaltung mit Ringkerntrafo mit folgendenAngaben: ULmin = 12 V, IL = 100 mA und UBRSS = 2 V. Überprüfen Sie die Berech-nungen mit PSpice.

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2 Netzgleichrichter

Zuerst wird die Trafo-Nennleistung berechnet.

Aus dem Datenblatt Typische Daten von Ringkerntrafos (Abb.: 4) wählen wir einenRingkerntyp für PN = 10 W, und fv = 1.18. Zur weiteren Berechnung benötigt man denInnenwiderstand Ri des Trafos. Er ist aber von der noch nicht bekannten NennspannungUN abhängig. Wir lösen dieses Problem in Form einer sogenannten Iteration. Dabeinehmen wir für UN einen geeigneten Anfangswert an und berechnen damit Ri und UL.Wir vergleichen den erhaltenen Wert UL mit dem obigen Wert und korrigieren UNentsprechend.

Mit der angenommenen Spannung UN = 12 V erreicht die Lastspannung UL einen zuhohen Wert. Also reduzieren wir im nächsten Iterationsschritt die Trafo-NennspannungUN um die Differenz:

7

2 Netzgleichrichter

Damit ist der gewünschte Wert ungefähr erreicht. Die Trafodaten sind bestimmt.

Wir berechnen jetzt noch den Kondensator und den Diodenstrom:

8

2 Netzgleichrichter

2.3 Zweiweggleichrichter

Beide Halbwellenwerden aus-genützt. Dadurchwird das Verhält-nis von Lade-zu Entladezeitdes Kondensatorsverbessert unddie Welligkeit derAusgangsspan-nung verkleinert.

Abbildung 7: Zweiweggleichrichter

U(t)

t

I(t)

Abbildung 8: Spannungs- und Stromverlauf beim Zweiweggleichrichter

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2 Netzgleichrichter

Formeln zur Berechnung des Zweiweggleichrichters:Die aufgeführten Formeln stammen aus [1] Seite 894.

U 0 = UN · fv (2.3.1)

UL0 =√

2 · UN · fv − 2UD (2.3.2)PN = α · IL(UL + 2UD) ≈ α · IL · UL (2.3.3)

UL = UL0 ·

(1−

√Ri

2RL

)(2.3.4)

USperr =√

2 · UN · fv (2.3.5)

IDs =UL0√

2Ri · RL(2.3.6)

UBRSS =IL

2CL · fN

(1− 4

√Ri

2RL

)(2.3.7)

ULmin ≈ UL− 2

3UBRSS (2.3.8)

U 0 Trafo-Leerlaufspannungfv VerlustfaktorPN Nennleistung Trafoα FormfaktorUL0 Leerlauf-AusgangsspannungUN Nennspannung TrafoUD Diodenspannung 0,7VUL Last-AusgangsspannungRi Innenwiderstand TrafoUSperr Maximale SperrspannungIDs Periodischer SpitzenstromUBRSS Brummspannung Spitze-SpitzefN Netzfrequenz 50HzULmin Minimale Ausgangsspannung

Beispiel 2.2.Berechnen Sie einen Zweiweggleichrichter (Diode MR754): Minimale AusgangsspannungULmin = 18 V, Laststrom IL = 2 A und eine maximale Brummspannung UBRSS = 2 V.Erstellen Sie für die Berechnung ein allgemein gültiges C-Programm (Struktogramm undCode). Überprüfen Sie die Berechnungen mit PSpice

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2 Netzgleichrichter

2.4 Mittelpunktschaltung

Abbildung 9: Mittelpunktschaltung

Vorteil: Gegenüber der Brückenschaltung ist jeweils nur eine Diode aktiv. Dies verkleinertden Spannungsverlust.Nachteil: Der Trafo ist schlecht ausgenützt.

2.5 Drehstrom-Gleichrichter in Sternschaltung

Abbildung 10: Drehstrom-Gleichrichter in Sternschaltung

Die einfachste Drehstrom-Gleichrichterschaltung ist die Sternschaltung. Sie ist aus dreiEinweggleichrichtern aufgebaut.

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2 Netzgleichrichter

Abbildung 11: Strom- und Spannungsverlauf; Brummfrequenz= 3 · fN

2.6 Drehstrom-Gleichrichter in Brückenschaltung

Abbildung 12: Drehstrom-Gleichrichter in Brückenschaltung

Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Überlagerung aller Halbwellen. Daher ist dieFrequenz der Brummspannung das sechsfache der Netzfrequenz. Dies hat eine sehr kleineWelligkeit, auch ohne Glättung, zur Folge.

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2 Netzgleichrichter

Abbildung 13: Strom- und Spannungsverlauf; Brummfrequenz= 6 · fN

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3 Gesteuerte Leistungselemente


3.1 Diac

(Diode alternating current switch = Diodenwechselstromschalter)

Abbildung 14: Diac als Dreischichtelement

Abbildung 15: Kennlinie

Anwendung: Erzeugung von Impulsen, speziell zur Zündung von Thyristoren.

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Abbildung 16: Impulsformer mit Diac

t

U

15


3.2 Thyristor

SCR, Silicon controlled rectifiersThyristoren sind steuerbare Bauelemente mit Schaltereigenschaften.

Abbildung 17: Versuchsschema

Versuchsablauf

1. Bei geschlossenem Schalter und angeschlossener Speisespannung wird das Poten-tiometer langsam aufgedreht.

2. Schalter wird geöffnet.

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3. Speisespannung wird auf ca. die Hälfte verkleinert und wieder auf den ursprüngli-chen Wert erhöht.

4. Speisespannung wird auf 0V zurückgestellt und anschliessend wieder auf den ur-sprünglichen Wert eingestellt.

5. Der Schalter wird kurz eingeschaltet (Impuls).

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Durch einen kurzen Steuerimpuls am Gate wird der Thyristor gezündet(leitend gemacht) Der Thyristor bleibt solange leitend, bis der Laststromeinen Grenzwert (Haltestrom) unterschreitet. Soll der Thyristor wiederleiten muss er erneut gezündet werden.

Abbildung 18: Schaltzeichen Thyristor

Abbildung 19: Aufbau am Beispiel eines katodenseitig gesteuerten Tyristor

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Abbildung 20: Strom- Spannungskennlinie

Sperrspannungen bis einige kVStröme bis kADurchlassspannung im Betrieb ca. 1V bis 2VDie erforderlichen Gateströme streuen sehr stark. Deshalb wird mit kurzen, übersteuertenImpulsen gezündet.

Der GTO-Thyristor(englisch gate turn-off thyristor) ist ein Thyristor, der wie ein normaler Thyristor miteinem positiven Stromimpuls am Steuereingang – dem Gate – eingeschaltet werden kann.Im Gegensatz zum normalen Thyristor kann er mittels eines negativen Stromimpulses(der bis zu einem Drittel des Laststroms beträgt) auch ausgeschaltet werden. GTO’swerden heute durch IGBT’s ersetzt (s. Kap. 3.4)

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3.3 Triac

Der Triac ist eine Weiterentwicklung des Thyristors und lässt sich unabhängig von derPolarität der angelegten Spannung zünden.

Abbildung 21: Aufbau und Schaltzeichen eines Triac

Die Zündung kann durch Steuerimpulse beliebiger Polarität erfolgen. Allerdings ist dieZündempfindlichkeit verschieden, das heisst die erforderlichen Zündströme sind nichtgleich gross. Gelöscht wird wie beim Thyristor durch Unterschreiten des Haltestromes.Durch den inneren Aufbau ergeben sich vielfach ungünstigere Grenz- und Kennwerte alsbeim Thyristor.

Abbildung 22: Strom-Spannungskennlinie

Beispiel 3.1.Wie wird ein normaler Thyristor gezündet und gelöscht?

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Beispiel 3.2.Wieso werden zur Zündung Triggerelemente wie z. B. Diacs eingesetzt?

Beispiel 3.3.Ein Thyristor wird an Ueff = 400 V; 50Hz betrieben. Welche kritische Spannungssteilheit∆u/∆t muss der Thyristor aufweisen? Was geschieht, wenn der eingesetzte Thyristor dieAnforderungen an die Spannungssteilheit nicht erfüllt?

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30−600

−500

−400

−300

−200

−100

0

100

200

300

400

500

600

t in ms

Uin

V

Abbildung 23

Beispiel 3.4.

1. Zweck, Funktion der Schaltung.

2. Als Hauptthyristor wird ein 2N6403 ein-gesetzt; RL = 10 Ω; maximale Um-gebungstemperatur 50 C. Berechnen Sieden Wärmewiderstand eines Kühlkörpers(Rth vernachlässigen).

3. Der Hauptthyristor werde mit 5V übereinen Vorwiderstand Rv gezündet. Berech-nen Sie den Vorwiderstand Rv für eine si-chere Zündung (bei 25 C).

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Beispiel 3.5.Zur Zündung von Triacs: Welche Polarität muss der Zündstrom eines Triacs haben? Wasist dabei zu beachten?

3.4 IGBT

Der IGBT ist ein technologisch kombiniertes Bauele-ment mit den vorteilhaften Eigenschaften eines bipola-ren Leistungstransistors (Durchlassverhalten) mit de-nen eines MOSFETs (Schaltzeiten, Ansteuerleistung,Robustheit).

Abbildung 24: Ausgangskennlinienfeld eines IGBT

A: Vorwärts-SperrbereichB: SättigungsbereichC: Arbeitsgerade für ohmsche Last

IGBTs werden unter anderem im Hochleistungsbereich eingesetzt, da sie über eine ho-he Vorwärts-Sperrspannung (derzeit bis 6600 V) verfügen und hohe Ströme (bis etwa3000 A) schalten können. In der Antriebstechnik (z. B. im Lokomotivbau) ersetzen siein Pulswechselrichtern für Drehstrommaschinen inzwischen weitgehend die vorher ge-bräuchlichen Schaltungen mit GTO-Thyristoren.

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3.5 Anwendungen

3.5.1 Nullspannungsschalter

Beim Einschalten von Verbrauchern an das Netz ist der Einschaltaugenblick zufällig.Wird eine ohmsche Last bei ϕ = 90 eingeschaltet, steigt der Strom in kürzester Zeitauf seinen Maximalwert. Diese steilen Stromflanken können Störungen verursachen oderdie Lebensdauer von Elementen verkleinern. Für viele Anwendungen ist es daher wün-schenswert, die Last im Spannungsnulldurchgang einzuschalten.

Abbildung 25: Prinzip des Nullspannungsschalters

Abbildung 26: Schema: Der Thyristor zündet nur bei geschlossenem Schalter S und ge-sperrtem Transistor

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3.5.2 Elektronisches Lastrelais ELR

Da Thyristoren keine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis haben, kanndiese durch ein geeignetes Trennglied wie einen Optokoppler oder ein Reedrelais erfolgen.Durch Vereinigung eines solchen Halbleiter-Schaltelements mit einer geeigneten Steuer-schaltung ergibt sich ein elektronisches Lastrelais (ELR) oder Halbleiterrelais (HLR).Engl.: Solid State Relais (SSR).

Abbildung 27: Blockschaltbild eines Halbleiterrelais

Die obige Abbildung zeigt das Blockschaltbild eines Halbleiterrelais (SSR) für das po-tentialfreie Schalten eines Laststromkreises. Die Schaltung enthält einen Optokoppler,der das Ausgangssignal der Steuerschaltung an einen Nullpunktschalter überträgt. Die-ser gibt in jedem steigenden Nulldurchgang des Lastwechselstroms einen Steuerimpulsan den nachfolgenden Triac ab, der dadurch den Laststromkreis durchschaltet. Bei Aus-bleiben der Steuerimpulse wird der Triac gesperrt.

Vorteile:

· Unempfindlich gegen Vibrationen

· Schaltzeiten kleiner 0,2ms

· Schaltzahlunabhängige Lebensdauer

· Prellfrei

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3.5.3 Phasenanschnittsteuerung

Während beim reinen Schalterbetrieb zu Beginn jeder Halbwelle gezündet wird, erfolgtbei der Phasenanschnittsteuerung die Zündung mit einer einstellbaren Verzögerung. Da-durch lässt sich die Leistung eines Verbrauchers nahezu verlustlos steuern. Typische An-wendungsgebiete:

· Helligkeitssteuerung von Lampen (Dimmer)

· Drehzahlverstellung von Motoren

· Ersatz von Stelltransformatoren

Abbildung 28: Prinzipielle Möglichkeiten für die Phasenanschnittsteuerung

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Abbildung 29: Prinzipielle Schaltung

Abbildung 30: Steuerkennlinie für rein ohmsche Lasten

UU0

=II0

=

√1− α

180+

1

2$· sin(2α) U: Effektivwert der Lastspannung

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Beispiel 3.6.Simulieren Sie die Phasenanschnittsteuerung nach Abbildung 31 und stellen Sie folgendeKurven untereinander dar

1. UNetz (t)

2. UV 1

3. IR1 = IRL

4. Fourieranalyse

Abbildung 31

3.5.4 Schwingungspaketsteuerung

Die steilen Stromflanken der Phasenanschnittsteuerung können sich sowohl als HF- wieauch als Netzstörungen bemerkbar machen. Bei der Schwingungspaketsteuerung kann dieAnzahl Wellen innerhalb einer Schaltperiode Ts verändert werden. Dadurch lässt sich dieLeistung in einem trägen Verbraucher, z.B. in einer Heizung, ebenfalls fast ohne Verlustesteuern. Wichtig ist, dass die Schaltung immer eine gerade Anzahl Halbwellen durchlässt(Arithmetischer Mittelwert ist 0, kein Gleichstromanteil).

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Literatur

Abbildung 32

P =tETS· Pmax

Abbildung 33

Beispiel 3.7.Eine Schwingungspaketsteuerung soll die Leistung bis auf 1% von Pmax reduzieren. ProSchaltperiode sollen mindestens 2 Schwingungen durchgelassen werden. Gesucht sind tEund TS

Literatur

[1] U.Tietze ; Ch.Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, 2010

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