Induktivitäten in der Leistungselektronik: Spulen, Trafos und ihre parasitären Eigenschaften

422 Pages·2017·8.55 MB·German

by  Manfred Albach (auth.)

Manfred Albach
Induktivitäten in der
Leistungselektronik
Spulen, Trafos und ihre
parasitären Eigenschaften
Induktivitäten in der Leistungselektronik
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03März 2012 | 114. Jahrgang
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Manfred Albach
Induktivitäten in der
Leistungselektronik
Spulen, Trafos und ihre parasitären
Eigenschaften
ManfredAlbach
LehrstuhlfürelektromagnetischeFelder
Friedrich-AlexanderUniversität
Erlangen,Deutschland
ISBN978-3-658-15080-8 ISBN978-3-658-15081-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-15081-5
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Vorwort
DieAusgangssituation
InduktiveBauelementespieleneineSchlüsselrollebeiderEntwicklungvonNetzgeräten,
WechselrichternundanderenleistungselektronischenSystemen.DiegegenseitigeAbhän-
gigkeitvon ausgewählter Schaltung (TopologieundBetriebsart) und induktiverKompo-
nenteermöglichteineOptimierungdesGesamtsystemsnuruntergleichzeitigerEinbezie-
hungderSpulenundTransformatoren.
Im Gegensatz zu den Halbleiterbauelementen oder auch den Kondensatoren sind die
Spulen und Transformatoren aber nur in Sonderfällen, wie z.B. bei Filterspulen, käuf-
lich verfügbar. In der Regel werden diese Bauelemente von den Schaltungsentwicklern
passend für die jeweilige Applikation optimiert. Zur Erfüllung der unterschiedlichsten
Anforderungen an die zu realisierende Komponente stehen dem Entwickler eine Viel-
zahl von Kernen, unterschieden nach Bauformen und Materialien, sowie verschiedene
Querschnittsformen der Leiter, wie z.B. Runddrähte,Litzen oder Folien zur Verfügung.
Unabhängig von dieser Auswahl besteht das Hauptproblem in der Festlegung des spe-
ziellenWicklungsaufbaus.UnterschiedlicheKombinationenvonWindungszahlundLuft-
spaltgrößeundinsbesonderediePositionierungderWindungenimWickelfenstereröffnen
vielfältigeMöglichkeiten.
DerWunschnachkleinerwerdendenSchaltungenführthäufigaufdieForderungnach
höherenSchaltfrequenzen.DamitspielendieparasitärenEffekteindeninduktivenKom-
ponenteneineimmerbedeutendereRolle,sowohlimHinblickaufdieVerlustealsauchauf
das EMV-Verhalten.In einigen Schaltungen kommtes auf minimaleStreuinduktivitäten
oder minimale Wicklungskapazitätenan, in anderenSchaltungen werden diese parasitä-
renEigenschaftenindieBetriebsweiseintegriert,indemz.B.dieWicklungskapazitätals
TeileinesResonanzkreisesverwendetwird.
Ein gutes Verständnis für die Ursachen und die Beeinflussungsmöglichkeiten dieser
parasitärenEigenschaftenisterforderlich,vorallemvordemHintergrund,dasssichdiese
Eigenschaften gegenseitig beeinflussen. Eine bessere induktive Kopplung zwischen den
TransformatorwicklungenerhöhtinderRegeldieparasitärenKapazitätensowiediePro-
ximityverlusteindenWicklungen.DiezusätzlichenRandbedingungenbeiderAuslegung
derinduktivenKomponenten,wiez.B.diezuübertragendeLeistung,dasmaximaleVolu-
V
VI Vorwort
mendesBauelements,diemaximalzulässigenVerluste,dermaximaleTemperaturanstieg
unter ungünstigsten Betriebsbedingungenoder auch das EMV-Verhalten erschweren die
Situationzusätzlich.
DieZielsetzung
Die primäre Zielsetzung dieses Buches besteht darin, ein tieferes Verständnis für die
induktivenBauteileundinsbesonderederenparasitäreEigenschaftenzuentwickeln.Vor-
aussetzungdafüristdieKenntnisderelektrischenundmagnetischenFelderinnerhalbder
dreidimensionalenAnordnungen.DieseFeldverteilungensindderAusgangspunktfürdie
weitereAnalyse,wiez.B.dieHerleitungderparasitärenEigenschaften.
Die Berechnungder Felder erfordert in der Regel einen hohen mathematischen Auf-
wand. Das gilt nicht nur für die induktiven und kapazitiven Kopplungen innerhalb der
Wickelanordnungen,sonderninsbesondereauchfürdieBerechnungderunterschiedlichen
VerlusteinKernundWicklung.DieBerücksichtigungnichtlinearerMaterialeigenschaften
erschwertdieAnalysezusätzlich.
SimulationenmitFinite-ElementeProgrammenbenötigensehrvielSpeicherplatzund
auchRechenzeit.Dashängtvorallemdamitzusammen,dassvieleWindungenmitdünnen
DrähtenoderLitzenundmiteventuellkleinerEindringtiefeaufgrundderhohenFrequen-
zen in einem verglichen dazu großen Wickelfenster untergebracht werden. Die dadurch
notwendige Diskretisierung hat bei der Optimierung aller möglichen freien Parameter
einennichtvertretbarenzeitlichenAufwandzurFolge.ZumDurchlaufendervielenOpti-
mierungsschleifenbietenaufanalytischenFormelnbasierendeProgrammedeutlicheVor-
teile. Die Finite-Elemente Programme spielen ihre Vorteile dann aus, wenn Effekte an
kompliziertenStrukturenuntersuchtwerdensollen,dieeineranalytischenRechnungnicht
mehrzugänglichsind.
DieVorgehensweise
In den folgenden Kapiteln werden wir die einzelnen parasitären Eigenschaften getrennt
untersuchen.DazuwerdenausgehendvondemgeometrischenAufbaunachMöglichkeit
analytischeBeziehungenaufgestellt.BeimanchenProblemstellungenwirddermathema-
tische Aufwand derart komplex und umfangreich, dass auf eine ausführliche Herleitung
derGleichungenverzichtetwird.IndiesenFällenwirdaufSimulationenmithandelsübli-
chenSoftwaretoolsoderauchaufMessungenzurückgegriffen.
VieleZusammenhängewerdenankonkretenZahlenbeispielenmitausgewähltenKer-
nen und Wickelanordnungen veranschaulicht. Die sich daraus ergebenden quantitativen
ErgebnissesinddannnichtunmittelbaraufandereApplikationenübertragbar,siezeigen
aber die funktionalen Abhängigkeiten auf und helfen das Verständnis der zugrunde lie-
genden Ursachen zu verbessern und diejenigen Parameter zu identifizieren, durch deren
Änderung eine Optimierung der Komponenten im Hinblick auf bestimmte Kriterien er-
möglichtwird.
AufderanderenSeitebietetdievonjedemPCzurVerfügunggestellteRechenleistung
die Möglichkeit, auch komplizierte mathematische Zusammenhänge zu programmieren
Vorwort VII
und in vernachlässigbarer Zeit auszuwerten. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit-
hilfe der angegebenen Gleichungen verschiedenste Parameterstudien zu betreiben und
übergeordnete Optimierungsschleifen, z.B. die Wahl der Schaltungstopologie oder die
Betriebsweise der Schaltung betreffend,in dieAnalyse mit einzubeziehen. Erst mit die-
sen Ergebnissen können die Werte der Induktivitäten, der Übersetzungsverhältnisse, der
SchaltfrequenzundderStromformengeeignetfestgelegtwerden.
DerInhalt
ImerstenKapitelwerdendiemathematischenGleichungenbereitgestellt,dieausgehend
von den physikalischen Gesetzmäßigkeiten eine weitestgehend analytische Berechnung
dergrundlegendenZusammenhängeermöglichen.EsistalsRepetitoriumkonzipiertund
sollte wie ein Nachschlagewerk verwendet werden, auf das beim Lesen der folgenden
KapitelbeiBedarfzurückgegriffenwerdenkann.
Das Buch ist so eingeteilt, dass wir uns zunächst nur mit den Wicklungen beschäfti-
gen, anschließend nur mit den Kernen und schließlich mit den aus Kern und Wicklung
bestehendenKomponenten.IndenKap.2bis4werdennurAnordnungenohnehochper-
meables Kernmaterial behandelt. Dieser Einstieg mit Luftspulen bietet den Vorteil, dass
wir die verschiedenen Eigenschaften der Wicklungen ohne die später infolge der Ker-
nehinzukommendenProblemewieKernverluste,Sättigungserscheinungenoderauchdie
AbhängigkeitderInduktivitätvomStrom,vonderTemperaturoderderFrequenzuntersu-
chenkönnen.
Kap. 2 behandeltdie Selbst- und Gegeninduktivitäten bei Draht- und Folienwicklun-
gen, in Kap. 3 werden die Wicklungskapazitäten berechnet und Kap. 4 umfasst die Be-
rechnungenderverschiedenenVerlustmechanismenin denWicklungen,wobeinichtnur
RunddrahtundFolienwicklungenbetrachtetwerden,sondernauchdieVerlustberechnun-
geninHochfrequenzlitzenausführlichbehandeltwerden.
NachdeminKap.5dieBeschreibungderKerneunddieErfassungderMaterialeigen-
schaften, insbesondere von Ferritmaterialien, vorgestellt wurden, werden in Kap. 6 der
Einfluss der Kerne auf die Induktivitäten und in Kap. 7 der Einfluss der Kerne auf die
Kapazitätenuntersucht.DieVerlustmechanismenwerdeninzweigetrenntenKapitelnbe-
handelt,einerseitsdieVerlusteindenKerneninKap.8undandererseitsderEinflussder
Kerne auf die Wicklungsverluste infolge der geänderten Feldverteilung im Bereich der
WicklunginKap.9.
In Kap. 10 wird der Übergang von einer einzelnen Wicklung zu mehreren Wicklun-
gen, d.h. zu Transformatoren vollzogen. Hier spielen die Themen Streuinduktivitäten
und einfache Ersatzschaltbilder eine zentrale Rolle. Das Kap. 11 ist dem Thema Mo-
dellierunggewidmetmitdenSchwerpunktenkapazitivesundthermischesErsatznetzwerk
für Transformatoren. In Kap. 12 werden einige EMV-Aspekte der induktiven Kompo-
nentenbehandelt.KonkretbetrachtenwirdenEinflussdesTransformatoraufbausaufdie
Funkstörspannungen,dieVerwendungvonSpulenalsFilterbauelementeunddievonden
induktivenKomponentenerzeugtenMagnetfelder.
VIII Vorwort
DasKap.13beschreibtmöglicheStrategienbeiderDimensionierunginduktiverKom-
ponentenundindenAnhanginKap.14sindeinigeZusammenhängeausgelagert,diefür
dasVerständnisinnerhalbdervorausgegangenenAbschnittenichtunbedingterforderlich
sind, jedoch denjenigen Lesern als hilfreiche Unterstützungen dienen können, die sich
intensivermitderThematikbeschäftigenwollen.
Danksagungen
An dieser Stelle möchte ich mich bei zwei Mitarbeitern des Lehrstuhls für Elektroma-
gnetische Felder an der Universität Erlangen-Nürnbergfür die tatkräftige Unterstützung
bedanken. Zum einen bei Herrn Dr.-Ing. Daniel Kübrich für den Aufbau der Schaltung
und die Durchführung der Funkstörspannungsmessungen in Kap. 12, und zum anderen
beiHerrnDr.-Ing.HansRoßmanith,dermitvielZeitaufwanddasManuskriptgelesenund
inzahlreichenDiskussionenmitVorschlägenfürVerbesserungenundErgänzungeneinen
großenBeitragzumZustandekommendesBuchesindervorliegendenFormgeleistethat.
Nichtzuletztgehtein großerDankan meineFrau Heidrun,diewährendder Laufzeit
diesesBuchprojektesvielGeduldundVerständnisgezeigthatundaufgemeinsameFrei-
zeitaktivitätenverzichtenmusste.
Erlangen,September2016 ManfredAlbach
Abkürzungsverzeichnis
cm common-mode(Gleichtaktstörungen)
dm differential-mode(Gegentaktstörungen)
EMV ElektromagnetischeVerträglichkeit
ESB Ersatzschaltbild
HF Hochfrequenz
iGSE improvedGeneralizedSteinmetzEquation
MSE ModifiedSteinmetzEquation
PFC powerfactorcorrection
rms rootmeansquare(Effektivwert)
SNT Schaltnetzteil
IX