Schaltnetzteile und ihre Peripherie: Dimensionierung, Einsatz, EMV

441 Pages·2020·13.833 MB·German

by  Ulrich Schlienz

Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile
und ihre Peripherie
Dimensionierung, Einsatz, EMV
7. Auflage
Schaltnetzteile und ihre Peripherie
Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile und ihre
Peripherie
Dimensionierung, Einsatz, EMV
7., überarbeitete und erweiterte Auflage
Prof. Ulrich Schlienz
Fakultät Technik
Hochschule Reutlingen
Reutlingen, Deutschland
ISBN 978-3-658-29489-2 ISBN 978-3-658-29490-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-29490-8
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail-
lierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2001, 2003, 2007, 2009, 2012, 2016, 2020
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht
ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags.
Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem
Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung
unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen
Zeicheninhabers sind zu beachten.
Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in
diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch
die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des
Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und
Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral.
Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist
ein Teil von Springer Nature.
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany
Vorwort zur siebten Auflage

Liebe Leserin, lieber Leser,
Vor Ihnen liegt ein Fachbuch, das meine berufliche Autobiographie enthält. In meinen vielen
Berufsjahren habe ich zahlreiche Erfahrungen in der Elektronik gesammelt, die ich zumindest
teilweise dokumentieren und, falls Sie daran interessiert sind, auch weitergeben möchte. Über
ein Jahrzehnt habe ich bei einem Automobilzulieferer entwickelt. Eine sehr lange Zeit war ich
an der Hochschule, wo ich neben der Lehre an viele Industriethemen gearbeitet habe. Und jetzt
bin ich im Ruhestand und blicke gelassen auf mein Berufseben zurück…Nein! Ich mache als
Ingenieur-Büro weiter. Und das deshalb, weil leistungselektronischen Lösungen dringend
gefragt sind und für die Zukunft der Firmen von existentieller Bedeutung sind. Gerade Mittel-
ständler haben große Not, geeignete Entwickler zu bekommen. Sie benötigen neue Produkte
und zwar substanziell neue Produkte, nicht nur eine neue Bedienoberfläche.
Ein Entwicklungsingenieur in der Leistungselektronik benötigt neben der fachlichen Qualifika-
tion eine ganz wichtige Charaktereigenschaft: Er muss sich trauen! Er muss den Mut haben, an
hohen Spannungen zu messen und mit großen Strömen zu hantieren. Und Mut sei hier bitte
nicht als Leichtsinn verstanden. Ein mutiger Ingenieur, eine mutige Ingenieurin kann nur
jemand sein, der genau weiß, was er tut. Und das zu jedem Zeitpunkt und bei jedem Handgriff.
Und genau das macht die Leistungselektronik so anspruchsvoll. Um zu wissen, was wir tun,
brauchen wir Kenntnisse über die Physik, die Lehre der Natur. Niemals können wir uns über
die Natur hinwegsetzen. Wir können sie für unsere Technik nutzen, voll ausschöpfen, aber wir
dürfen sie niemals überreizen. Dann benötigen wir die Mathematik, um unsere Schaltungen
und magnetischen Kreise zu berechnen. Dazu müssen wir allerdings in die Mathematik „ein-
steigen“. Wir müssen unsere technische Fragestellung erstmal in die Mathematik hineinbrin-
gen. Genau diesen Schritt zelebriert das vorliegende Buch in fast jedem Kapitel. Mit der Ma-
thematik können wir das Verhalten unserer Schaltung vorausberechnen und erkennen wie sich
die unterschiedlichen Parameter auf die Ausgangsgrößen und die Belastung der Bauelemente
auswirken.
Wir benötigen aber auch die Grundlagen der Elektrotechnik und da führt kein googeln daran
vorbei. Wir brauchen sie wirklich! Und wer da anderer Meinung ist, sollte die Finger von der
Leistungselektronik lassen.
Des Weiteren brauchen wir die Schaltungstechnik. Wer da noch unbedarft ist, dem empfehle
ich die Bibel (für Schaltungstechniker) Tietze/Schenk und die Application Notes der IC-
Hersteller, die bisweilen komplette Bauanleitungen enthalten.
Wir brauchen auch Kenntnisse über die Aufbautechnik, denn am Ende unserer Arbeit soll ein
Produkt stehen. Welche Möglichkeiten gibt es überhaupt? Was ist fertigungstechnisch mach-
bar? Was kostet es? Wie kriege ich da die Wärmeabfuhr hin? Wie mache ich mein Layout?
In praktisch jeder Leistungselektronik steckt heute ein kleiner Micro-Controller. Den müssen
wir auswählen und programmieren können. Aber jetzt kommen Sie, verehrter Leser bitte nicht
auf die Idee, dass Micro-Controller-Kenntnisse alleine ausreichend wären. Das ist nur das
Scharnier des Deckels.
Und dann benötigen wir EMV-Kenntnisse. Einige Grundlagen dazu finden Sie in den Kapiteln
25 bis 28 und Sie werden erkennen, dass wir nicht immer gleich Maxwell und die Vektorana-
lysis bemühen müssen. Fast alle Phänomene können wir mit Feldlinienbildern und einfachen
Berechnungen erklären. Die Schwierigkeiten liegen eher im Finden der Störvorgänge und
VI Vorwort
deren Abschätzung im Vorfeld der Prototyperstellung. Wer stört wann wen? Hier hilft nur ein
sehr diszipliniertes Messen und Analysieren der Spannungs- und Stromverläufe, die wir immer
wieder kriminalistisch und akribisch auf Plausibilität überprüfen! Hierbei tun sich die Ingeni-
eurinnen und Ingenieure erfahrungsgemäß besonders schwer. Wenn ich vor meinem Oszi sitze
und nicht verstehe, warum die Spannung so verläuft, – und das geht mir persönlich heute
immer noch so – dann kann ich doch nicht einfach weitermachen. Ich muss die Ursache finden!
Und dazu muss ich bisweilen sehr hartnäckig sein. Nur, wenn ich die Ursache finde, habe ich
die Chance auf eine Behebung. Und erst dann kann ich weitermachen. Das meine ich auch mit
mutig. Schließlich fragte der Projektleiter heute schon zum dritten Mal, wann die Schaltung
endlich fertig sei….
Mutig, entschlossen, zielstrebig, hartnäckig, selbstkritisch, fleißig und dennoch konsequent und
exakt muss der Entwickler/die Entwicklerin in der Leistungselektronik sein. Alles Eigenschaf-
ten, die ich mit dem Beruf Ingenieurin/Ingenieur zusammenfasse.
Liebe Leserin, wenn Sie so eine Ingenieurin sind oder werden möchten, dann soll Ihnen das
Buch ein paar Hilfestellungen geben. Und Sie suchen sich die Themen raus, die Sie gerade
brauchen und bitte nur die! Und wenn Sie trotzdem nicht weiterkommen, dann dürfen Sie mich
gerne kontaktieren. Vielleicht kann ich ja einen Tipp geben.

Im November 2019

Ulrich Schlienz E-Mail: [email protected]
Inhalt

Vorwort zur siebten Auflage ................................................................................................. V

1 Die Ladungspumpe ........................................................................................................... 1
1.1 Zwei Schaltungsbeispiele ............................................................................................. 1
1.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe ........................................ 2
1.3 Anwendungen der Ladungspumpe ............................................................................... 3
1.3.1 Versorgung vom High Side Treiber ................................................................... 3
1.3.2 VCC-Versorgung aus der Brückenspannung ..................................................... 4
1.3.3 Ansteuerung von Wechselstromschaltern .......................................................... 4
1.3.4 Halbleiterrelais ................................................................................................... 6
2 Der Abwärtswandler ........................................................................................................ 7
2.1 Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom ........................................................ 7
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung .................................................................. 9
2.1.2 Berechnung der Induktivität L ........................................................................... 9
2.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb .................................................... 10
2.1.4 Die Größe des Ausgangskondensators ............................................................. 11
2.1.5 Analytische Berechnung des Effektivwertes ................................................... 13
2.1.6 Numerische Bestimmung des Effektivwertes .................................................. 14
2.2 Der Abwärtswandler mit lückendem Strom ............................................................... 16
2.2.1 Der Eingangsstrom ........................................................................................... 17
2.2.2 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 17
2.2.3 Grenze zum nicht lückenden Betrieb ............................................................... 17
2.2.4 Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms ....................................... 19
2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator ..................................................... 20
2.3.1 Vorbemerkung ................................................................................................. 20
2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler ..................................................................... 21
3 Der Aufwärtswandler ..................................................................................................... 23
3.1 Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom ..................................................... 23
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 24
3.1.2 Der Eingangsstrom ........................................................................................... 25
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes ................................................................... 26
3.1.4 Berechnung der Induktivität L ......................................................................... 26
3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität .................................................................... 27
3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs ......................................................... 27
3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom .............................................................. 28
3.2.1 Die Stromverläufe ............................................................................................ 28
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 29
3.2.3 Normierung ...................................................................................................... 29
3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb ......................................................... 30
3.3 Bidirektionaler Energiefluss ....................................................................................... 31
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Der Multi-Parallel-Wandler ........................................................................................... 35
4.1 Der Einfach-Synchronwandler ................................................................................... 35
4.1.1 Das Schaltbild .................................................................................................. 35
4.1.2 Die Stromverläufe ............................................................................................ 36
4.1.3 Berechnung der Stromeffektivwerte................................................................. 36
4.2 Der Zweifach-Synchronwandler ................................................................................. 39
4.2.1 Das Schaltbild .................................................................................................. 39
4.2.2 Die Stromverläufe ............................................................................................ 39
4.2.3 Berechnung der Effektivwerte .......................................................................... 40
4.2.4 Die Stromverläufe für vT < 0,5 ........................................................................ 42
4.3 Vierfach-Synchronwandler ......................................................................................... 43
4.3.1 Das SchaltAbb. ................................................................................................. 43
4.3.2 Die Stromverläufe für vT ≥ 0,75 ...................................................................... 43
4.4 Gegenüberstellung der Ergebnisse.............................................................................. 44
4.5 Synchronisation von Mehrfachwandlern .................................................................... 46
4.5.1 I-I-Messung ...................................................................................................... 47
4.5.2 I-T-Control ....................................................................................................... 47
4.5.3 PWM-gesteuert ................................................................................................ 49
4.6 Vergleich der Synchronisationsverfahren ................................................................... 51
5 Der Inverswandler .......................................................................................................... 53
5.1 Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom .......................................................... 53
5.1.1 Die Ausgangsspannung ...................................................................................... 55
5.1.2 Berechnung der Induktivität L ............................................................................ 56
5.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb ...................................................... 57
5.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom ................................................................... 58
6 Der Sepic-Wandler .......................................................................................................... 61
6.1 Der Sepic-Wandler mit nicht lückendem Strom ......................................................... 61
6.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 61
6.1.2 Die wichtigsten Strom- und Spannungsverläufe .............................................. 62
6.1.3 Die Stromrippel ................................................................................................ 63
6.1.4 Die Belastung der Bauelemente ....................................................................... 63
6.1.5 Die Grenze zum lückenden Betrieb .................................................................. 64
6.2 Der Sepic-Wandler mit Potentialtrennung .................................................................. 64
7 Der Ćuk-Wandler ........................................................................................................... 65
7.1 Der Ćuk-Wandler mit positiver Ausgangsspannung .................................................. 65
7.1.1 Dimensionierung auf kleine Änderungen der energietragenden Größen ......... 65
7.1.2 Dimensionierung auf Resonanz von CS/L2 ..................................................... 65
7.1.3 Strombelastung von L2 .................................................................................... 68
7.1.4 Strombelastung von CS .................................................................................... 68
7.1.5 Dimensionierung von CS und L2 ..................................................................... 69
7.1.6 Dimensionierung der Dioden und T1 ............................................................... 69
7.1.7 Zusammenfassung der Eigenschaften des Ćuk-Wandlers ................................ 70
7.2 Ćuk-Wandler mit Potentialtrennung ........................................................................... 71
7.2.1 Schaltbild ......................................................................................................... 71
7.2.2 Beziehungen ..................................................................................................... 71
Inhaltsverzeichnis IX
7.3 Dimensionierung als PFC-Wandler ............................................................................ 74
7.3.1 Vorbemerkung ................................................................................................. 74
7.3.2 Daten des Wandlers ......................................................................................... 74
7.3.3 Festlegung von ü .............................................................................................. 74
7.3.4 Dimensionierung des Trafos ............................................................................ 75
7.3.5 Verluste des Trafos .......................................................................................... 75
7.3.6 Dimensionierung der Spulen ............................................................................ 75
7.3.7 Verluste ............................................................................................................ 76
7.3.8 Dimensionierung weiterer Bauteile .................................................................. 76
8 Der Sperrwandler ........................................................................................................... 77
8.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom ........................................................... 77
8.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 78
8.1.2 Berechnung der Induktivität L ......................................................................... 79
8.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb .................................................... 80
8.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom .................................................................... 81
8.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien ............................................................... 82
8.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen ............................................. 85
8.4 Dimensionierungsbeispiel .......................................................................................... 86
8.4.1 Die quantitativen Strom- und Spannungsverläufe ............................................ 86
8.4.2 Berechnung der Effektivwerte ......................................................................... 87
8.4.3 Dimensionierung des Trafos ............................................................................ 88
8.4.4 Gegenüberstellung der Verluste ....................................................................... 90
9 Der Eintaktflusswandler ................................................................................................ 91
9.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom ................................................. 91
9.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 92
9.1.2 Die Primärseite ................................................................................................. 93
9.1.3 Die Induktivität L ............................................................................................. 94
9.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs ............................................................... 95
9.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom .......................................................... 96
9.2.1 Die Strom- und Spannungsverläufe ................................................................. 96
9.2.2 Normierte Ausgangsgrößen ............................................................................. 97
9.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs ................................................................. 98
9.2.4 Die Ausgangsdiagramme ................................................................................. 98
9.3 Praktische Ausführung der Primärbrücke ................................................................. 100
9.3.1 Schaltung ........................................................................................................ 100
9.3.2 Schaltverhalten ............................................................................................... 101
9.4 Der Doppelflusswandler ........................................................................................... 102
10 Gegentaktflusswandler ............................................................................................... 103
10.1 Die Standardtopologie ............................................................................................ 103
10.1.2 Schaltung und Kurvenverläufe ....................................................................... 103
10.1.3 Die Ausgangsspannung .................................................................................. 104
10.1.4 Ansteuerung des Gegentaktwandlers ............................................................. 105
10.2 Brücken .................................................................................................................. 108
10.2.1 Primärseite ..................................................................................................... 108
10.2.2 Sekundärseite ................................................................................................. 109
10.3 Dimensionierungsbeispiel für die Standardtopologie ............................................. 110
X Inhaltsverzeichnis
10.4 Transformierender Gegentaktwandler .................................................................... 114
10.4.1 Grundschaltung .............................................................................................. 114
10.5 Der asymmetrische Halbbrückenwandler ............................................................... 118
10.5.1 Schaltung und Kurvenverläufe ....................................................................... 118
10.5.2 Die Ausgangsspannung .................................................................................. 119
10.5.3 Der Trafostrom ............................................................................................... 120
11 Der Gegentaktwandler mit Current Doubler am Ausgang ..................................... 121
11.1 Schaltung und Kurvenverläufe ............................................................................... 121
11.2 Berechnung der Strombelastungen der Leistungsbauteile ...................................... 123
11.2.1 Ströme durch D1 und D2 ............................................................................... 123
11.2.2 Arithmetischer Mittelwert ............................................................................ 124
11.2.3 Effektivwert ID1 ............................................................................................ 124
11.2.4 Verlustleistung in D1 ..................................................................................... 128
11.2.5 Strom durch die Sekundärwicklung IS ........................................................... 128
11.2.6 Strom durch die Primärwicklung IP ............................................................... 128
11.2.7 Strom durch T2 und T4 .................................................................................. 128
11.2.8 Strom durch T1 und T3 .................................................................................. 128
11.2.9 Strom durch die Ausgangsdrosseln ................................................................ 128
11.3 Die CD-Topologie mit Synchrongleichrichter am Ausgang ................................... 129
11.4 Zero Voltage Switching .......................................................................................... 130
11.4.1 Ausschalten von T1 ........................................................................................ 130
11.4.2 Ausschalten von T2 ........................................................................................ 130
12 Blindleistungskonverter.............................................................................................. 131
12.1 Vorbemerkung ........................................................................................................ 131
12.2 Funktionsprinzip ..................................................................................................... 131
12.3 Schaltung zur Realisierung ..................................................................................... 132
12.3.2 Strommessung ................................................................................................ 132
12.3.3 Nachregeln der Spannung UZK ..................................................................... 133
12.3.4 Stromverläufe ................................................................................................. 134
13 PFC Power-Factor-Corrector .................................................................................... 135
13.1 Problemstellung ...................................................................................................... 135
13.2 Definition des Leistungsfaktors .............................................................................. 135
13.3 Geltende Norm ....................................................................................................... 137
13.4 Lösung durch PFC .................................................................................................. 137
13.5 Die Größe des Zwischenkreis-Elkos CZK .............................................................. 138
13.6 Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur ............................................................ 139
13.7 Betrieb im CRM ..................................................................................................... 141
13.7.1 Natürliche PFC ............................................................................................... 141
13.7.2 Spannungszeitwandler .................................................................................... 142
13.7.3 Strom-null-Erkennung .................................................................................... 143
13.7.4 Frequenzbereich ............................................................................................. 144
13.7.5 Zusatzfunktionen ............................................................................................ 145
13.7.6 Interleaved Technik ........................................................................................ 146
13.8 Dimensionierungsbeispiel ....................................................................................... 146
13.8.1 Stromverläufe ................................................................................................. 147
13.8.2 Der Effektivstrom IT ...................................................................................... 147