Schaltnetzteile und ihre Peripherie: Dimensionierung, Einsatz, EMV

272 Pages·2001·7.472 MB·German

by  Ulrich Schlienz (auth.), Prof Dr.-Ing. Otto Mildenberger (eds.)

Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile und
ihre Peripherie
Aus dem Programm---------------....
Elektrische Energietechnik
Elektrische Energieversorgung
von K. Heuck und K. D. Dettmann
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von W. Böge
Leistungselektronik
von P. F. Brosch, J. Landrathund J. Wehberg
Handbuch Elektrische Energietechnik
herausgegeben von L Constantinescu-Simon
Elektrische Maschinen und Antriebssysteme
von L. Constantinescu-Simon, A. Fransua und K. Saal
Elektrische Energietechnik
von W. Courtin
Elektrische Maschinen und Antriebe
von K. Fuest und P. Döring
Elektromagnetische Verträglichkeit
von A. Rodewald
EMVU-Messtechnik
von P. Weiß, B. Gutheil, D. Gust und P. Leiß
Schaltnetze und ihre Peripherie
von U. Schlienz
vieweg ________________ _____..,
Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile
und ihre
Peripherie
Dimensionierung, Einsatz, EMV
Mit 296 Abbildungen
Herausgegeben von Otto Mildenherger
al
v1eweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Herausgeber:
Prof Dr.-Ing. Otto Mildenherger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen
Elektronik und Informatik.
1. Auflage, Juni 2001
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2001
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2001
Softcoverreprint of the hardcover Ist edition 2001
www.vieweg.de
[email protected]
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sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
ISBN 978-3-663-11332-4 ISBN 978-3-663-11331-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-11331-7
V
Vorwort
Produkte müssen immer kleiner, leichter und vor allem billiger werden. Zusätzlich sollen die
Entwicklungszeiten für neue Produkte immer kürzer werden.
Während sich Logik-Funktionen durch eine immer größer werdende Integrationsdichte fast
beliebig verkleinern lassen, stößt man bei leistungselektronischen Funktionen sehr schnell an
die physikalische Grenze, die durch die notwendige Wärmeabfuhr 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 dafür eine Zusammenfassung für alle in der Praxis zu lösenden
Fragen dar. Am Anfang erfolgt eine Einführung in die klassischen Wandler und die Resonanz
wandler. Danach werden die Leistungsbauelemente beschrieben und erprobte Ansteuerschal
tungen vorgestellt. Im letzten Teil werden EMV -Aspekte ergänzt, die bei allen Schaltreglern
auftreten.
Es ist so aufgebaut, dass die Wandler zuerst mit idealisierten Bauteilen betrachtet werden und
erst danach die realen Eigenschaften ergänzt werden. Dadurch erkennen wir die prinzipiellen
Eigenschaften, losgelöst von allen parasitären Effekten.
Das Buch richtet sich gleichermaßen an Studenten und Ingenieure. Für Studenten kann es zum
Selbststudium dienen, wenn die Kapitel sukzessive durchgearbeitet werden, oder es kann
Lehrveranstaltungen auf dem Gebiet der Leistungselektronik ergänzen. Für Ingenieure stellt
das Buch eine Zusammenfassung aller Themengebiete dar, die für die tägliche 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 1 kW. Für höhere Leistungen, wo die Thyristor-Technik dominiert, gibt es zahl
reiche gute Bücher, z.B. /4/-/8/, /10/-113/. Für Wandler unter 1 kW hingegen gibt es bis jetzt
wenige Bücher z.B. /9/. Aber gerade in diesem Leistungsbereich werden viele neue Produkte
entwickelt. So müssen viele Netzgeräte auf die PFC-Technik umgestellt werden, was meistens
ein völlig neues Schaltungskonzept bedeutet. Im Kfz.-Bereich kommen laufend neue Funktio
nen hinzu, die neue Baugruppen und Vorschaltgeräte erfordern. Sie enthalten häufig Lei
stungselektronik und müssen bei extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit
aufweisen.
Für diese Anwendungen brauchen wir spezifische Schaltungstechniken. Sie werden in diesem
Buch vorgestellt und beschrieben. Alle Schaltungsbeispiele sind entweder in Serienprodukten
eingesetzt oder in Prototypen realisiert worden. Sollte es beim Nachbau dennoch zu Fehl
funktionen kommen, stehe ich Ihnen für weitere Informationen gerne zur Verfügung.
(Ulrich.Schlienz@ FH-Reutlingen.de).
Reutlingen, im Juni 2001 Ulrich Schlienz
vn
Inhalt
1 Einführung ................................................................................................................. 1
1.1 Vorbemerkung................................................................................................... 1
1.2 Stromversorgungen............................................................................................ 3
1.3 PFC Power-Factor-Corrector............................................................................. 4
1.3.1 Problemstellung.................................................................................. 4
1.3.2 Lösung durch PFC .............................................................................. 5
1.4 Die Ladungspumpe ............................................................................................ 6
1.4.1 Schaltungsbeispiele............................................................................. 6
1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe ............... 7
1.5 Idealisierung .. . . . . . .. . . .. .. . . .. .. ......... .. .. . . .. .. .. . . .. .. . . .. .. . . .. .. .. . . . . . .. .. . .. .. ... .. .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . 8
2 Der Abwärtswandler ................................................................................................. 10
2.1 Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom.............................................. 10
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................... 12
2.1.2 Berechnung der Induktivität L ............................................................ 12
2.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb....................................... 13
2.1.4 Die Größe des Ausgangskondensators................................................ 14
2.1.5 Numerische Bestimmung des Effektivwertes..................................... 16
2.2 Der Abwärtswandler mit lückendem Strom....................................................... 18
2.2.1 Der Eingangsstrom.............................................................................. 19
2.2.2 Der Ausgangsstrom............................................................................. 19
2.2.3 Die Ausgangsspannung....................................................................... 19
2.2.4 Grenze zum nicht lückenden Betrieb.................................................. 20
2.2.5 Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms.......................... 21
2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator ............................................ 22
2.3.1 Vorbemerkung.................................................................................... 22
2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler ........................................................ 23
3 Der Aufwärtswandler ................................................................................................ 25
3.1 Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom............................................ 25
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................... 26
3.1.2 Der Eingangsstrom.............................................................................. 27
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes...................................................... 28
3.1.4 Berechnung der Induktivität L ............................................................ 28
3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität....................................................... 29
3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs............................................ 29
3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom..................................................... 30
3.2.1 Die Stromverläufe............................................................................... 30
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspanung ..................................................... 31
3.2.3 Normierung......................................................................................... 31
3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb ........................................... 32
3.3 Bidirektionaler Energiefluss .............................................................................. 34
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Der Inverswandler ........................ ......... ...................... ......... ....... .............................. 38
4.1 Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom................................................. 38
4.1.1 Die Ausgangsspannung....................................................................... 40
4.1.2 Berechnung der Induktivität L ............................................................ 41
4.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb....................................... 42
4.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom.......................................................... 43
5 Der Sperrwandler ...................................................................................................... 47
5.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom................................................... 47
5.1.1 Die Ausgangsspannung ....................................................................... 48
5.1.2 Berechnung der Induktivität L ............................................................ 49
5.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb....................................... 50
5.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom............................................................ 51
5.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien.................................................. 52
5.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen .................................... 55
6 Der Eintaktflusswandler............................................................................................ 56
6.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom........................................ 56
6.1.1 Die Ausgangsspannung ....................................................................... 57
6.1.2 Die Primärseite.................................................................................... 58
6.1.3 Die Induktivität L................................................................................ 59
6.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs ........ ..... ....... ... .. ... .. ... ... ... ......... .. 60
6.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom................................................. 61
6.2.1 Die Strom-und Spannungsverläufe .................................................... 61
6.2.2 Normierte Ausgangsgrößen................ .............. ..... .. ... ..... ... ........ ... ...... 62
6.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs..................................................... 63
6.2.4 Die Ausgangsdiagramme .................... ....... .. ....... ..... ... ........ ... ...... ....... 63
7 Der Gegentaktflusswandler ............... ........................................... ..... ........... ... ...... ... 65
7.1 Schaltung und Kurvenverläufe........................................ ....... ... ... ........ ... ... ... ... .. 65
7 .1.1 Die Ausgangsspannung ...................................... ....... ... ... ... ...... ........... 66
7 .1.2 Ansteuerung des Gegentaktwandlers ....... ....... .......... ... ..... ...... ... ......... 67
7.2 Brücken.............................................................................................................. 70
7 .2.1 Primärseite .................... ................. ......... ....... ..... ..... .. ... . .. ... ...... ........ .. 70
7.2.2 Sekundärseite ...................................................................................... 71
7.3 Sperrverzugszeit von Dioden............................................................................. 72
7.3.1 Problemstellung................................................................................... 72
7.3.2 Messschaltung..................................................................................... 72
7.3.3 Abhilfe................................................................................................ 73
8 Resonanzwandler ...................................................................................................... 75
8.1 Die Boucherot-Schaltung................................................................................... 75
8.1.1 Beziehungen........................................................................................ 75
8.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung ................................................... 78
8.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle...................................................... 79
8.1.4 Realisierung der Rechteckspannung ................................................... 80
8.1.5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe 80
Inhaltsverzeichnis IX
8.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstromes ................................ 82
8.2.1 Grundschaltung ................................................................................... 82
8.2.2 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten ........................ 83
8.2.3 Ausgangskennlinie .............................................................................. 84
8.2.4 Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung ..................... 85
8.2.5 Umschwingbedingung ........................................................................ 86
8.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz.......................................................... 88
8.3.1 Schaltung............................................................................................. 88
8.3.2 Vereinfachte Schaltung....................................................................... 88
8.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang ............... 89
8.3.4 Spannungs-und Stromverläufe ........................................................... 89
8.3.5 Beziehungen........................................................................................ 90
8.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung ................................................... 91
8.4 Vergleich "hartes" Schalten-Umschwingen.................................................... 92
8.4.1 Beispielschaltung .................................. ;............................................. 92
8.4.2 Beziehungen........................................................................................ 93
8.4.3 Auswirkung auf die ohmseben Verluste der Drossel.......................... 96
8.4.4 Zusammenfassung............................................................................... 97
9 Leistungsschalter ....................................................................................................... 98
9.1 DerMOSFET .................................................................................................... 98
9.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET ........................................................ 98
9.1.2 Die Body-Diode.................................................................................. 98
9.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET ..................................................... 100
9.1.4 Einschaltvorgang................................................................................. 100
9.1.5 Ausschaltvorgang................................................................................ 101
9.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET.......................................................... 101
9.1.7 Die Avalanchefestigkeit...................................................................... 102
9.2 Der SenseFET.................................................................................................... 103
9.3 Der TOPFET...................................................................................................... 105
9.4 DeriGBT........................................................................................................... 106
9.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs ............................................................. 106
9.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs.......................................................... 106
9.4.3 Schaltverhalten.................................................................................... 107
9.4.4 Weitere Leistungsschalter ................................................................... 107
9.5 Schaltverluste..................................................................................................... 107
9.5.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last................................................... 108
9.5.2 Abschaltvorgang mit induktiver Last.................................................. 109
9.5.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste ................................................. 110
9.6 Verbesserte Freilaufdiode.................................................................................. 111
9.7 Verpolschutzdiode (Kfz).................................................................................... 111
10 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs ..................................................... 113
10.1 Einfache Treiberschaltungen ............................................................................. 113
10.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern ........................................................ 114
10.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe ................................................................ 114
10.1.3 AktivesAbschaltnetzwerkamGate.................................................... 115
10.1.4 Treiber-ICs.......................................................................................... 116
X Inhaltsverzeichnis
10.2 Treiberschaltungen mit Potenzialtrennung .......................... .......... ........ ......... ... 117
10.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten ............ ................ ...... 117
10.2.2 Treiber mit Impulsübertrager .............................................................. 118
10.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers .......................................... 122
10.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers............................................. 123
10.2.5 Potenzialfreie Ansteuerung eines Polwenders..................................... 124
10.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten.......................................... 127
10.2.7 Primäransteuerung............................................................................... 128
10.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren ................................................................. 129
10.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe .............................................. 129
10.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter .............................................. 132
10.4 DC-Motoren....................................................................................................... 133
10.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors....................................................... 133
10.4.2 Belastungskurven ................................................................................ 133
10.4.3 Drehzahlvorsteuerung ......................................................................... 134
11 Regelung der Wandler .............................................................................................. 135
11.1 PWM-Erzeugung ............................................................................................... 135
11.2 Regelung der Ausgangsspannung ...................................................................... 136
11.3 Einsatz von integrierten Schaltkreisen............................................................... 137
11.4 Verwendung von Mikrocontrollern ................................................................... 138
11.4.1 DA-Wandler........................................................................................ 138
11.4.2 Programmierter PWM-Generator........................................................ 141
11.5 Programmierung eines PI-Reglers..................................................................... 146
11.5.1 Tipps rund um den Prozessor.............................................................. 148
12 Magnetische Bauteile ................................................................................................ 149
12.1 Grundlagen des magnetischen Kreises............................................................... 149
12.1.1 Die Luftspule....................................................................................... 149
12.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit........................................................ 151
12.2 Dimensionierung von Spulen............................................................................. 156
12.2.1 Vorbemerkung..................................................................................... 156
12.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises............................................. 157
12.2.3 Bestimmung des AL-Wertes................................................................ 157
12.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule........................................................ 158
12.2.5 Ortskurve der Spule............................................................................. 159
12.2.6 Kupferverluste in der Wicklung.......................................................... 159
12.2.7 Verlustwinkel und Güte...................................................................... 160
12.3 Der Transformator............................................................................................. 161
12.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe.......................... 161
12.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos................................................... 163
12.3.3 Dimensionierung des Trafos............................................................... 166
12.4 Dimensionierung von Wicklungen.................................................................... 168
12.4.1 Die Primärwicklung............................................................................ 168
12.4.2 Skin-Effekt.......................................................................................... 169
12.4.3 Folienwicklung.................................................................................... 171
12.4.4 Der Wicklungsaufbau.......................................................................... 172
12.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit .............................................. 173