Schaltnetzteile und ihre Peripherie: Dimensionierung, Einsatz, EMV

278 Pages·2003·9.174 MB·German

by  Ulrich Schlienz (auth.)

Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile und
ihre Peripherie
Aus dem Programm _____________ _____
~
Elektrische Energietechnik
Elektrische Energieversorgung
von K. Heuck und K. D. Dettmann
Leistungselektronik
von P. F. Brosch, J. Landrath und J. Wehberg
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von W. Boge
Handbuch Elektrische Energietechnik
herausgegeben von L. Constantinescu-Simon
Schaltnetze und ihre Peripherie
von U. Schlienz
Elektrische Maschinen und Antriebe
von K. Fuest und P. Doring
Elektrische Maschinen und Antriebstechnik
von E. Seefried
Elektromagnetische Vertraglichkeit
von A. Rodewald
EMVU-Messtechnik
von P. WeiS, B. Gutheil, D. Gust und P. LeiS
vieweg ________________
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Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile
und ihre
Peripherie
Dimensionierung, Einsatz, EMV
2., iiberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 294 Abbildungen
~
Vieweg Praxiswissen vleweg
Bibliographic information published by Die Deutsche Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie;
detailed bibliographic data is available in the Internet at <http://dnb.ddb.de>.
1. Auflage Juni 2001
2., iiberarbeitet und erweiterte Auflage November 2003
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Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf siiurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
ISBN 978-3-322-92830-6 ISBN 978-3-322-92829-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92829-0
v
Vorwort
Produkte mussen immer kleiner, leichter und vor allem billiger werden. Zusiitzlich sollen die
Entwicklungszeiten fiir neue Produkte immer kfuzer werden.
Wiihrend sich Logik-Funktionen durch eine immer gr06er werdende Integrationsdichte fast
beliebig verkleinern lassen, st06t man bei leistungselektronischen Funktionen sehr schnell an
die physikalische Grenze, die durch die notwendige Wiirmeabfuhr gegeben ist. Eine Verbesse
rung ist nur noch durch die Reduzierung der Verluste zu erreichen und das bedeutet eine Wir
kungsgradsteigerung des gesamten Leistungsteils. Dazu sind genaue Detailkenntnisse aller
Leistungsbauteile und ihrer Ansteuerschaltungen notwendig.
Das vorliegende Buch stellt dafiir eine Zusammenfassung fiir alle in der Praxis zu losenden
Fragen dar. Am Anfang erfolgt eine Einfiihrung in die klassischen Wandler und die Reso
nanzwandler. Danach werden die Leistungsbauelemente beschrieben und erprobte Ansteuer
schaltungen vorgestellt. 1m letzten Teil werden EMV-Aspekte ergiinzt, die bei allen Schaltreg
lern auftreten.
Es ist so aufgebaut, dass die Wandler zuerst mit idealisierten Bauteilen betrachtet werden und
erst danach die realen Eigenschaften ergiinzt werden. Dadurch erkennen wir die prinzipiellen
Eigenschaften, losgelost von allen parasitiiren Effekten.
Das Buch richtet sich gleichermaBen an Studenten und Ingenieure. Fiir Studenten kann es zum
Selbststudium dienen, wenn die Kapitel sukzessive durchgearbeitet werden, oder es kann
Lehrveranstaltungen auf dem ,Gebiet der Leistungselektronik ergiinzen. Fiir Ingenieure stellt
das Buch eine Zusammenfassung aller Themengebiete dar, die fiir die tiigliche Arbeit ge
braucht werden, und soll das aufwendige Suchen in verschiedenen Literaturquellen ersetzen.
Der Schwerpunkt im vorliegenden Buch ist der untere bis mittlere Leistungsbereich, also von
mW bis etwa lkW. Fiir hOhere Leistungen, wo die Thyristor-Technik dominiert, gibt es zahl
reiche gute Bucher, z.B. /4/-/8/, /10/-/13/. Fiir Wandler unter lkW hingegen gibt es bis jetzt
wenige Bucher z.B. /9/. Aber gerade in diesem Leistungsbereich werden viele neue Produkte
entwickelt. So mussen viele Netzgeriite auf die PFC-Technik umgestellt werden, was meistens
ein vollig neues Schaltungskonzept bedeutet. 1m Kfz.-Bereich kommen laufend neue Funktio
nen hinzu, die neue Baugruppen und Vorschaltgeriite erfordern. Sie enthalten hiiufig Leis
tungselektronik und mussen bei extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Zuverliissigkeit
aufweisen.
Fiir diese Anwendungen brauchen wir spezifische Schaltungstechniken. Sie werden in diesem
Buch vorgestellt und beschrieben. Aile Schaltungsbeispiele sind entweder in Serienprodukten
eingesetzt oder in Prototypen realisiert worden. Sollte es beim Nachbau dennoch zu
Fehlfunktionen kommen, stehe ich Ihnen fiir weitere Informationen gerne zur Verfiigung.
Reutlingen, im September 2003 Ulrich Schlienz
E-Mail: [email protected]
VII
Inhalt
1 Einf1ihrung ......................................................................................................................... 1
1.1 Vorbemerkung ............................................................................................................. 1
1.2 Stromversorgungen ....................................................................................................... 3
1.3 PFC Power-Factor-Corrector. ........................................................................................ 4
1.3.1 Problemstellung ................................................................................................. 4
1.3.2 Losung durch PFC ............................................................................................. 5
1.4 Die Ladungspumpe ....................................................................................................... 7
1.4.1 Schaltungsbeispiele ............................................................................................ 7
1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe .............................. 8
1.5 Idealisierung ............................................................................................................. 9
2 Der Abwiirtswandler ......................................................................................................... 11
2.1 Der Abwiirtswandler mit nicht liickendem Strom ....................................................... 11
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 13
2.1.2 Berechnung der Induktivitiit L ......................................................................... 13
2.1.3 Die Grenze fiir den nicht liickenden Betrieb .................................................... 14
2.1.4 Die GroBe des Ausgangskondensators ............................................................. 15
2.1.5 Numerische Bestimmung des Effektivwertes .................................................. 17
2.2 Der Abwiirtswandler mit liickendem Strom ................................................................ 19
2.2.1 Der Eingangsstrom ........................................................................................... 20
2.2.2 Der Ausgangsstrom .......................................................................................... 20
2.2.3 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 20
2.2.4 Grenze zurn nicht liickenden Betrieb ............................................................... 21
2.2.5 Tastverhiiltnis in Abhiingigkeit des Ausgangsstroms ....................................... 22
2.3 Der Abwiirtswandler mit Umschwingkondensator ...................................................... 23
2.3.1 Vorbemerkung ................................................................................................. 23
2.3.2 Schaltung beim Abwiirtswandler ..................................................................... 24
3 Der Aufwiirtswandler ........................................................................................................ 26
3.1 Der Aufwiirtswandler mit nicht liickendem Strom ...................................................... 26
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 27
3.1.2 Der Eingangsstrom ........................................................................................... 28
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes ................................................................... 29
3.1.4 Berechnung der Induktivitat L ......................................................................... 29
3.1.5 Die GroBe der Ausgangskapazitiit .................................................................... 30
3.1.6 Die Grenze des nicht liickenden Betriebs ......................................................... 30
3.2 Der Aufwiirtswandler mit liickendem Strom ............................................................... 31
3.2.1 Die Stromverliiufe ............................................................................................ 31
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspanung .................................................................. 32
3.2.3 Norrnierung ...................................................................................................... 32
3.2.4 Die Grenze zurn nicht liickenden Betrieb ......................................................... 33
3.3 Bidirektionaler Energiefluss ........................................................................................ 35
VIII
4 Der Inverswandler. ............................................................................................................ 39
4.1 Der Inverswandler mit nicht liickendem Strom ........................................................... 39
4.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 41
4.1.2 Berechnung der Induktivitat L ......................................................................... 42
4.1.3 Die Grenze fur den nicht liickenden Betrieb .................................................... 43
4.2 Der Inverswandler mit liickendem Strom .................................................................... 44
5 Der Sperrwandler. ............................................................................................................. 48
5.1 Der Sperrwandler mit nicht liickendem Strom ............................................................ 48
5.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 49
5.1.2 Berechnung der Induktivitat L ......................................................................... 50
5.1.3 Die Grenze fur den nicht liickenden Betrieb .................................................... 51
5.2 Der Sperrwandler mit liickendem Strom ..................................................................... 52
5.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien ............................................................... 53
5.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen .............................................. 56
6 Der Eintaktflusswandler ................................................................................................... 57
6.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht liickendem Strom .................................................. 57
6.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 58
6.1.2 Die Primarseite ................................................................................................. 59
6.1.3 Die Induktivitat L ............................................................................................. 60
6.1.4 Grenze des nicht liickenden Betriebs ............................................................... 61
6.2 Der Eintaktflusswandler mit liickendem Strom ........................................................... 62
6.2.1 Die Strom-und Spannungsverlaufe ................................................................. 62
6.2.2 Normierte AusgangsgroBen .............................................................................. 63
6.2.3 Die Grenze des liickenden Betriebs .................................................................. 64
6.2.4 Die Ausgangsdiagramme ................................................................................. 64
7 Der Gegentaktflusswandler ............................................................................................... 66
7.1 Schaltung und Kurvenverlaufe .................................................................................... 66
7.1.1 Die Ausgangsspannung .................................................................................... 67
7.1.2 Ansteuerung des Gegentaktwandlers ............................................................... 68
7.2 Briicken ....................................................................................................................... 71
7.2.1 Primarseite ........................................................................................................ 71
7.2.2 Sekundiirseite ................................................................................................... 72
7.3 Sperrverzugszeit von Dioden ....................................................................................... 73
7.3.1 Problemstellung ................................................................................................ 73
7.3.2 Messschaltung .................................................................................................. 73
7.3.3 Abhilfe ............................................................................................................ 74
IX
8 Resonanzwandler ........................................................................................................... 76
8.1 Die Boucherot-Schaltung ............................................................................................ 76
8.1.1 Beziehungen ..................................................................................................... 76
8.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung ................................................................ 79
8.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle ................................................................... 80
8.1.4 Realisierung der Rechteckspannung ................................................................ 81
8.1.5 Ein Ausfiihrungsbeispiel: 12V- Vorschaltgerat fUr Energiesparlampe ............. 81
8.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstromes .......................................... 83
8.2.1 Grundschaltung ................................................................................................ 83
8.2.2 Ausgangsspannung in Abhangigkeit der Schaltzeiten ..................................... 84
8.2.3 Ausgangskennlinie ........................................................................................... 85
8.2.4 Periodendauer in Abhiingigkeit der Ausgangsspannung .................................. 86
8.2.5 Umschwingbedingung ...................................................................................... 87
8.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz ................................................................... 89
8.3.1 Schaltung .......................................................................................................... 89
8.3.2 Vereinfachte Schaltung .................................................................................... 89
8.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang ............................ 90
8.3.4 Spannungs-und Stromverlaufe ........................................................................ 90
8.3.5 Beziehungen ..................................................................................................... 91
8.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................................ 92
8.4 Vergleich "hartes" Schalten - Umschwingen .............................................................. 93
8.4.1 Beispielschaltung ............................................................................................. 93
8.4.2 Beziehungen ..................................................................................................... 94
8.4.3 Auswirkung auf die ohmschen Verluste der Drossel ....................................... 97
8.4.4 Zusammenfassung ............................................................................................ 98
9 Leistnngsschaiter ........................................................................................................... 99
9.1 Der MOSFET ........................................................................................................... 99
9.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET ..................................................................... 99
9.1.2 Die Body-Diode ............................................................................................... 99
9.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET ................................................................ 101
9.1.4 Einschaltvorgang ............................................................................................ 101
9.1.5 Ausschaltvorgang ........................................................................................... 102
9.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET ..................................................................... 102
9.1.7 Die A valanchefestigkeit ................................................................................. 103
9.2 Der SenseFET ......................................................................................................... 104
9.3 Der TOPFET ......................................................................................................... 106
9.4 Der IGBT ......................................................................................................... 107
9.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs ........................................................................ 107
9.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs ..................................................................... 107
9.4.3 Schaltverhalten ............................................................................................... 108
9.4.4 Weitere Leistungsschalter .............................................................................. 108
9.5 Schaltverluste ......................................................................................................... 108
9.5.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last... ........................................................... 109
9.5.2 Abschaltvorgang mit induktiver LasL ........................................................... 110
9.5.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste ............................................................ 111
9.6 Verbesserte FreiIaufdiode .......................................................................................... 112
9.7 Verpoischutzdiode (Kfz.) .......................................................................................... 112
x
10 TreiberschaItungen fiir MOSFETs und IGBTs ............................................................ 114
10.1 Einfache Treiberschaltungen ..................................................................................... 114
10.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattem .................................................................... 115
10.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe ........................................................................... 115
10.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate ............................................................... 116
10.104 Treiber-ICs ..................................................................................................... 117
10.2 Treiberschaltungen mit Potenzialtrennung . .' .............................................................. 118
10.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten ............................................. 118
10.2.2 Treiber mit lmpulsiibertrager ......................................................................... 119
10.2.3 Primaransteuerung des Impulsiibertragers ..................................................... 123
10.204 Dimensionierung des lmpulsiibertragers ........................................................ 124
10.2.5 Potenzialfreie Ansteuerung eines Polwenders ................................................ 125
10.2.6 Ansteuerung mit verzogertem Einschalten ..................................................... 128
10.2.7 Primaransteuerung .......................................................................................... 129
10.3 Treiberschaltungen fur DC-Motoren ......................................................................... 130
10.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe ......................................................... 130
10.3.2 Versorgung fur den High-Side-Schalter. ........................................................ 133
lOA DC-Motoren .......................................................................................................... 134
1004.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors .................................................................. 134
10 04.2 Belastungskurven ........................................................................................... 134
1004.3 Drehzahlvorsteuerung .................................................................................... 135
11 Regelung der Wandler .................................................................................................. 136
11.1 PWM-Erzeugung .................................................................................................. 136
11.2 Regelung der Ausgangsspannung ........................................................................ 137
11.3 Analoger PI-Regier .............................................................................................. 138
11.3.1 PI-RegIer mit OP-Schaltung .................................................................. 138
11.3.2 Pas siver PI-Regier ................................................................................. 139
1104 Einsatz von integrierten Schaltreglem .................................................................. 140
11.5 Verwendung von Mikrocontrollem ...................................................................... 142
11.5.1 DA-Wandler .......................................................................................... 142
11.5.2 Programmierter PWM-Generator .......................................................... 145
11.6 Programmierung eines PI-Reglers ........................................................................ 150
11.6.1 Tipps rund urn den Prozessor ................................................................ 152
XI
12 Magnetische Bauelemente ............................................................................................. 153
12.1 Grundlagen des magnetischen Kreises ................................................................. 153
12.1.1 Die Luftspule ......................................................................................... 153
12.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit .......................................................... 155
12.2 Dimensionierung von Spulen ....................................... :. ...................................... 160
12.2.1 Vorbemerkung ....................................................................................... 160
12.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises ............................................... 161
12.2.3 Bestimmung des AL-Wertes .................................................................. 161
12.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule ........................................................... 162
12.2.5 Ortskurve der Spule ............................................................................... 163
12.2.6 Kupferverluste in der Wicklung ............................................................ 163
12.2.7 Verlustwinkel und Giite ......................................................................... 164
12.3 Der Transformator ................................................................................................ 165
12.3.1 Allgemeine Beziehungen fur sinusfOrmige VerHiufe ............................ 165
12.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos ..................................................... 167
12.3.3 Dimensionierung des Trafos .................................................................. 170
12.4 Dimensionierung von Wicklungen ....................................................................... 172
12.4.1 Die Primarwicklung .............................................................................. 172
12.4.2 Skin-Effekt ............................................................................................ 173
12.4.3 Folienwicklung ...................................................................................... 175
12.4.4 Der Wicklungsaufbau ............................................................................ 176
12.4.5 Luftstrecken und Uberschlagsfestigkeit ................................................ 177
12.5 Stromspitzen bei Transformatoren ....................................................................... 179
12.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve ................................................. 179
12.5.2 Normalbetrieb ........................................................................................ 180
12.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen .................................................................. 180
12.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung ............. 181
12.6 Der Stromwandler ................................................................................................ 182
12.6.1 Anwendungsbereich .............................................................................. 182
12.6.2 Die Schaltung ........................................................................................ 182
12.6.3 Ein Ausfuhrungsbeispiel ....................................................................... 182
12.6.4 Stromwandler mit Gleichrichter ............................................................ 183
12.6.5 Stromwandler in Schaltschranken ......................................................... 183
13 Kondensatoren fUr die Leistungselektronik ................................................................ 184
13.1 Grundsatzliches .................................................................................................... 184
13.2 Elektrolytkondensatoren ...................................................................................... 185
13.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren ........................................... 185
13.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren .................................. 186
13.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren ..................... 186
13.3 Folienkondensatoren ............................................................................................ 189