Steuerung von leistungselektronischen Schaltungen

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Steuerung von leistungselektronischen Schaltungen
1. Ansteuerung der Halbleiterschalter (Treiberschaltungen)
1.1 MOSFET, IGBT: Leistungs-MOSFET und IGBT’s benötigen einen kapazitiven
Steuerstrom: es wird das Gate beim Einschalten aufgeladen, beim Ausschalten
entladen. Dies geschieht mit CMOS-Treiber IC, bei großflächigen Schaltern
müssen wegen der großen Gate-Kapazität mehrere Treiberausgänge
parallelgeschaltet werden.
1.2 Bipolar-Transistoren: Sie benötigen im eingeschalteten Zustand einen kräftigen
Steuerstrom (ca. 10% des Laststromes). Zum schnellen Abschalten wird die Basis
meist auf eine negative Spannung (ca. -5V) geschaltet. Häufig wird daher eine
Darlingtonverstärkerstufe mit Speed-up-Diode verwendet.
1.3 Thyristoren: Zum Einschalten benötigen sie einen kurzen (10 - 100 ms)
Zündimpuls. Sie können nicht abgeschaltet werden. Zündspannung (ca. 3V) und
Zündstrom (ca. 100mA bis 5A) müssen im „sicher zündenden Bereich“ liegen (s.
Zünddiagramm). Dieser ist temperaturabhängig. Bei niedrigen Temperaturen
steigt der Zündstrom. Die Zündung muß für die niedrigste Betriebstemperatur
dimensioniert werden. In Anwendungen, bei denen der Laststrom nicht
zuverlässig dauernd während der Netzpulse fließt, muß ggf. mehrfach gezündet
werden (Zündimpulskette von ωt = α bis 180o).
1.4 Abschaltthyristoren (GTO): Zum Einschalten muß ein hoher Zündstrom (5 bis
20A) für mehrere µs und danach während der gesamten Einschaltphase eine
Dauerzündstrom (1 bis 2A) geliefert werden. Abgeschaltet wird mit einem steilen
(20 A/µs) negativen Abschaltimpuls. Der Gatestrom beim Abschalten erreicht
typisch 10 bis 20% des Laststromes. Dies ist nur möglich, wenn mit einer GateVersorgungsspannung von -20V die Gate-Katodenstrecke beim Abschalten in den
Durchbruch getrieben wird. Die Steuerschaltung ist daher sehr aufwendig.
2. Erzeugung der Steuerimpulse
2.1 Netzsynchrone Schaltungen: Bei Thyristoren wird der Zeitpunkt α = 0o durch den Nulldurchgang der
entsprechenden Spannung festgelegt. Eine integrierte Schaltung (z. B. TCA 785) wird damit synchronisiert und
liefert Steuerimpulse, welche proportional zu einer weiteren Steuerspannung gegenüber dem
Synchronisationssignal verzögert an Ausgängen für die verschiedenen Pulse erscheinen. Mit diesen
Steuerimpulsen werden die unter 1. erwähnten Treiberschaltungen angesteuert.
Netzsynchronisierung einer B6C-Schaltung
Integrierte Schaltung TCA 785 zur Impulserzeugung
2.2 Selbstgeführte Wechselrichter: Die erforderlichen Steuerimpulse werden aus den momentan gewünschten
Betriebsbedingungen abgeleitet: die gewünschte Motordrehzahl bestimmt die Grundtaktfrequenz des
Wechselrichters. Die Höhe der Zwischenkreisspannung bestimmt beim U-Umrichter die Spannung und damit
den Strom in der Last. Beim Pulswechselrichter kann auch die Pulsweite zur Regelung des Motorstromes
benutzt werden, weil damit die Amplitude der abgegebenen sinusförmigen Spannung verändert werden kann.
Wechselrichterschaltung mit Schutzeinrichtungen
Steuerung eines U-Umrichters für mehrere Motoren
Steuerung eines I-Umrichters für eine Asynchronmaschine
Steuerung einer Synchronmaschine
3. Potentialtrennung
Die Steuersignale liegen meist auf Erdpotential, während die anzusteuernden Schalter auf beliebigen Potentialen
sitzen können. Eine Übertragung der Signale über potentialtrennende Glieder ist notwendig:
3.1 Übertrager: Gerade bei Thyristoren wird die gesamte Zündenergie über Trenntransformatoren mit einer hohen
Isolationsspannung (3 bis 7 kV) geführt. Wegen der geringen Bandbreite der Übertrager ist diese Methode auf
kurze Zündimpulse und Frequenzen unter 30 kHz beschränkt.
3.2 Lichtwellenleiter: Bei sehr hohen Spannungen, wie z. B. bei HGÜ oder Hochspannungsmotoren können die
Zündsignale über Lichtleiter auf das Schalterpotential gebracht werden. Dort muß aus der in der Sperrphase des
Schalters anliegenden Sperrspannung die Zündenergie gewonnen und zur Zündung genutzt werden.
3.3 Optokoppler: Sie besitzen einige kV Isolationsspannung und einige kHz Betriebsfrequenz und eignen sich daher
für die Signalzuführung in Wechselrichter, Schaltnetzteilen und ähnlichen Anwendungen.
3.4 Integrierte Treiberschaltungen für niedrige Spannungen (< 1000V) enthalten inzwischen die Steuersignale für
MOS-gesteuerte Schalter auf zwei verschiedenen Potentialen. Damit können in einer Wechselrichterbrücke
sowohl der untere (Low-side-switch) als auch der obere (High-side-switch) direkt angesteuert werden.
4. Schutz und Regelschaltungen
Zum zuverlässigen Betrieb sind zahlreiche Überwachungs- und Regeleinrichtungen im Steuerteil eines
Stromrichters enthalten: z. B. Überspannungsschutz, Überstrombegrenzung (Kurzschlußschutz),
Drehzahlregelung, Stromregelung, Bremssteller.
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