Leistungselektronik

Leistungselektronik bezeichnet das Teilgebiet der Elektrotechnik, welches die Umformung elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen zur Aufgabe hat. Dagegen wird in der übrigen Elektronik (früher als Schwachstromtechnik bezeichnet) die elektrische Leistung nur zur Signal- und Datenverarbeitung benutzt. Audioverstärker oder auch Senderendstufen dienen ebenfalls der Signalübertragung, sie werden daher nicht zur Leistungselektronik gezählt, obwohl auch hier die elektrische Leistung erheblich sein kann. Die Umformung elektrischer Energie mit Transformatoren oder mit rotierenden Maschinensätzen wird ebenfalls nicht zur Leistungselektronik gerechnet.

Geschichte

Quecksilberdampfgleichrichter

Mit der Erfindung des ersten Gleichrichters 1902 nahm die Leistungselektronik ihren Anfang, bekam jedoch erst später diese Bezeichnung. Der Gleichrichter war ein Gasentladungsgefäß mit flüssiger Quecksilber-Kathode. Diese Quecksilberdampfgleichrichter konnten Wechselströme bis zu einigen Kiloampere gleichrichten und vertrugen Spannungen bis über 10 kV. Ab 1930 waren diese Quecksilberstromrichter mit einer Gittersteuerung analog zur Röhrentechnik versehen und so ließ sich ein steuerbarer Gleichstrom erzeugen (Ignitron, Thyratron). Aufgrund der recht hohen Durchlassspannung von etwa 20 V, die multipliziert mit dem Durchlaßstrom einen recht hohen Verlust an Elektrische Leistung bedeutet sowie der aufwändigen Bauweise und die dadurch bedingten hohen Anschaffungs- und Betriebskosten wurden diese Stromrichter nicht in dem Umfang wie die heutige Leistungselektronik verwendet. Die ersten Halbleiter zur Stromrichtung waren Selen- und Kupferoxydul-Gleichrichter.

1957 wurde bei General Electric der erste steuerbare Leistungs-Halbleiter entwickelt und später als Thyristor bezeichnet. Die folgende Entwicklung brachte eine Vielzahl von weiteren steuerbaren und passiven Leistungshalbleitern hervor, die heute in weiten Teilen der Antriebstechnik Verwendung finden.

Arten und Anwendungsgebiete

Verschieden Baugrößen von Thyristoren

Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Die Anordnungen zu dieser Umformung werden Stromrichter genannt. Sie werden je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden.

Weiterhin gibt es leistungselektronische Bauelemente und Baugruppen, die lediglich dem Zu- und Abschalten elektrischer Verbraucher dienen. Diese umfassen neben der Schaltfunktion häufig weitere Schutz- und Überwachungsfunktionen. Sie unterscheiden sich von Relais und Schützen dadurch, dass sie ohne bewegte Teile arbeiten.

• Umrichtung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter
• Umrichtung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter
• Umrichtung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung durch Gleichstromsteller (DC/DC-Wandler)
• Umrichtung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz oder Amplitude z. B. durch Wechselstromsteller oder Frequenzumrichter

Fortschritte der Mikroelektronik führten auch im Bereich der leistungselektronischen Bauelemente zu weiter verbesserten Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten und haben die Leistungselektronik damit weiter an Bedeutung gewinnen lassen.

In der Antriebstechnik der Elektroantriebe lassen sich durch die Steuerungsmöglichkeiten der Leistungselektronik die Betriebspunkte von elektrischen Maschinen sehr flexibel einstellen. So sind heute auch große Maschinenantriebe und Elektrolokomotiven mit leistungselektronischen Steuerungen ausgestattet.

Auch in Bereichen der Energieerzeugung und -übertragung findet die Leistungselektronik immer größere Einsatzgebiete. In Anlagen mit geringerer Leistung oder Anlagen mit Bedingungen, unter denen der klassische Synchrongenerator als Energieerzeuger nicht eingesetzt werden kann, werden Frequenzumrichter eingesetzt, um die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen. In der Energieübertragung wird die Leistungselektronik in so genannten HGÜ-Kurzkupplungen zur Frequenzentkopplung zwischen Verbundnetzen eingesetzt. Die gleiche Technik kommt bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, auch Langkupplung genannt), zum Einsatz. Unterwerke zur Bahnstrom- und Straßenbahn-Oberleitungs-Speisung arbeiten mit Leistungselektronik.

Auch im Bereich der gezielten Regelung in Hochspannungsnetzen mit Dreiphasenwechselstrom kommt Leistungselektronik im Rahmen von Flexible-AC-Transmission-System (FACTS) zur Anwendung. Mittels Unified-Power-Flow-Controller (UPFC) können auf einzelnen Leitungen in einem vermaschten Verbundnetzen gezielt Leistungsflüsse eingestellt werden und damit Übertragungsleitungen optimal in ihrer Transportleistung ausgenützt werden.

Leistungselektronik gewinnt zunehmend auch im Automobilbau an Bedeutung. Hier wird eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern mit leistungselektronischen Bauelementen geschaltet und gesteuert. Eine der ersten Anwendungen im KFZ waren die Lichtmaschinenregler, die es unter anderem gestatteten, statt der Gleichstromgeneratoren die effektiveren, kleineren und wartungsärmeren Drehstrom-Lichtmaschinen einzusetzen. Weitere Anwendungen sind die elektronische Zündung (Thyristorzündung) und die elektronische Einspritzung.

In Hybridfahrzeugen (z. B. Toyota Prius) wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen (Gabelstapler, „E-Car“) die gesamte, Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller und Wechselrichter verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren („SuperCaps“) aufbereiten.

In der Hochfrequenztechnik löst die Leistungselektronik die langsam veraltende Röhrentechnik nach und nach ab. Bei sehr hohen Frequenzen und Leistungen werden aber weiterhin immer noch Elektronenröhren (Klystrons, Magnetrons) eingesetzt. Bei der Induktionserwärmung existieren dank der Leistungselektronik heutzutage kleine, effektive, wartungsfreie und langlebige Geräte.

Weitere Beispiele sind Schweiß-Inverter für das Lichtbogenschweißen sowie Mittelfrequenz-Umrichter für das Widerstandsschweißen.

Bauelemente und Schaltungen

zeitlicher Verlauf der Wechselspannung bei einer Phasenanschnittsteuerung

Gleichrichter dienen dazu, aus Wechselstrom Gleichstrom zu generieren. Sie bestehen aus mehreren nicht gesteuerten Dioden oder aktiv gesteuerten Bauelementen wie Thyristoren oder IGBTs, die durch ihre Zusammenschaltung zu Gleichrichtern werden. In der Leistungselektronik werden insbesondere Dreiphasengleichrichter wie die Sechspulsschaltung oder die Zwölfpulsschaltung angewendet.

Gesteuerte Stromrichter werden Gleichrichter-Schaltungen bezeichnet, die mit Thyristoren, GTO-Thyristoren oder IGBT arbeiten und es gestatten, die Ausgangsspannung stufenlos zu verstellen. Hier verschiebt eine Phasenanschnittsteuerung das Einschalten der elektronischen Schalter innerhalb der Periode um einen einstellbaren Winkel. Sie sind oft in der Lage, den Strom von der Gleichstromseite auch zurück ins Netz zu speisen (Vierquadrantenbetrieb).

Als Wechselstromsteller werden Schaltungen mit Thyristoren oder Triacs bezeichnet, mit denen Helligkeitssteuerungen von Lampen (Dimmer), Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen oder Motoren realisiert werden. Zwei gegenläufig parallel geschaltete Thyristoren oder ein Triac schalten hier ebenfalls mit einer Phasenanschnittsteuerung beide Halbschwingungen des Wechselstromes in einem bestimmten Phasenwinkel durch.

Halbleiterrelais (engl. solid state relay) sind elektronische Wechselspannungsschalter und arbeiten ebenfalls mit Thyristoren oder Triac, sie verfügen über eine eingebaute Potentialtrennung zwischen Netz- und Signalstromkreis und schalten entweder sofort oder stets im Nulldurchgang der Wechselspannung, um so Störemissionen zu verhindern.

Gleichstromsteller werden bei Gleichstromspeisung mit Aufwärtswandlern (Hochsetzstellern engl. step up converter, boost converter) und Abwärtswandlern (Tiefsetzstellern, buck-Regler, step down converter). Auch die sogenannte „aktive PFC“ (Leistungsfaktorkorrektur) arbeitet mit einem dem Netzgleichrichter nachgeschalteten Aufwärtswandler. Diese Gleichstromsteller arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT. Oft werden bei Gleichstromstellern statt Dioden Synchrongleichrichter realisiert, sodass es prinzipiell auch hier möglich ist, Strom zurückzuspeisen.

Schaltnetzteile wandeln Netzspannung in potentialgetrennte, geregelte Gleichspannungen um und arbeiten mit einem gesteuerten Wechselrichter, der aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung zunächst eine Wechselspannung hoher Frequenz erzeugt, die anschließend transformiert und gleichgerichtet wird. Schaltnetzteile arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT.

Geöffnetes IGBT-Modul

Folgende Bauelemente sind charakteristisch für die Leistungselektronik :

• Diac (zur Ansteuerung von Thyristoren)
• bipolarer Leistungstransistor (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler)
• Leistungs-MOSFET (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler)
• GTO-Thyristor (Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT) (Stromrichter großer Leistung)
• IGBT (Schaltnetzteile, Motorsteuerungen, Umrichter)
• Thyristor (Stromrichter, Halbleiterrelais, Impulsstromquellen)
• Triac (Dimmer, Halbleiterrelais)
• Dioden zur Gleichrichtung und als Freilaufdioden (Schottkydioden für kleine Spannungen bis etwa 200 V, Siliziumdioden für Spannungen bis einige Kilovolt)
• Leistungskondensatoren

Leistungsaufnahme und Effizienz

Die Wirkungsgrade leistungselektronischer Systeme sind oft sehr hoch (etwa 70 bis über 95%) und übertreffen beispielsweise diejenigen von kleinen Netzteilen mit Netztransformator. Dennoch führen leistungselektronische Baugruppen zu Störemissionen und oft zu Blindleistung und Verzerrungen (Oberwellen) im Stromnetz. Der nicht sinusförmige Verlauf der Stromaufnahme bewirkt eine Blindleistung, sie wird Verzerrungsblindleistung genannt.

Daher sind auch in der Leistungselektronik Blind- und Scheinleistung von besonderer Bedeutung - die Scheinstromaufnahme bzw. der aufgenommene Effektivstrom eines Gleichrichters oder Schaltnetzteiles ist trotz hoher Effizienz oft wesentlich höher als der Quotient aus Nutzleistung und Speisespannung (P_nutz / U₁), was zu höherer thermischer Belastung (Stromwärme) des Netzes oder speisender Transformatoren führt.

Ungesteuerte Gleichrichter

Gleichrichter werden oft zum Betrieb von Leistungselektronik am Stromnetz erforderlich, um zunächst eine Gleichspannung zu erzeugen. Ist ein Ladekondensator nachgeschaltet, fließt nur während kurzer Zeiten im Bereich des Scheitels der Eingangswechselspannung Strom. Dieser Stromflusswinkel ist umso kleiner, je größer der Kondensator ist und je geringer der Innenwiderstand des speisenden Netzes ist. Geringe Stromflusswinkel von Gleichrichterschaltungen führen zu einem hohen Crestfaktor (Verhältnis von Effektiv- zu Spitzenstrom). Sie führen zu einer höheren Belastung des Netzes, der Zuleitungen und des Gleichrichters.

Beim Einschalten verursacht die Ladung des Kondensators einen Einschaltstromstoß, der oft mit einem Einschaltstrombegrenzer verringert werden muss.

Die durch den geringen Stromflusswinkel verursachten Netz-Verunreinigungen (Oberwellen) können mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) verringert werden.

Die Effizienz eines Netzgleichrichters an der Netzspannung 230 V beträgt etwa 99%. Verwendet werden Silizium-Dioden.

Spannungen unterhalb von etwa 100 Volt können mit Schottkydioden gleichgerichtet werden. Diese besitzen eine geringere Flussspannung (ca. 0,3 bis 0,6 V gegenüber ca. 0,7 bis 1 V bei Siliziumdioden) und arbeiten schneller. Sie werden daher oft am Ausgang von Schaltnetzteilen eingesetzt.

Gesteuerte Gleichrichter

Phasenanschnittsteuerung

Die gleichstromseitige Leistung bei einem gesteuerten Brückengleichrichter mit einem Steuerwinkel α ergibt sich bei ohmscher Last ohne Berücksichtigung der Verluste zu:

$P \ =\ U_{di\alpha} \cdot I_d \ =\ U_{di} \cdot I_d \cdot \cos \alpha \ = \ U_1 \cdot I_1 \cdot \cos \varphi_1$

Darin sind U_diα die Gleichspannung, I_d der Gleichstrom,, U₁ der Effektivwert der speisenden, sinusförmigen Wechselspannung, I₁ der Effektivwert der Stromgrundschwingung und φ₁ der Phasenwinkel der Stromgrundschwingung. Für Gleichrichtung allgemein gilt $U_{di} = 0{,}9 \cdot U_1$.

Ein größerer Steuerwinkel α ergibt auch eine größere Phasenverschiebung φ₁ zwischen aufgenommenem Strom und Netzspannung. Sie bewirkt bei α > 0 Blindleistung im Netz und ist unerwünscht.

Der Wirkungsgrad gesteuerter Netz-Gleichrichter ist nur unwesentlich geringer als derjenige ungesteuerter Netzgleichrichter.

Synchrongleichrichter

Synchrongleichrichtung wird vor allem bei der Erzeugung kleiner Spannungen bei hohem Strom verwendet. Dabei werden anstelle von Dioden MOSFET-Schalttransistoren verwendet, die jeweils zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden. Der höhere Schaltungsaufwand wird in Kauf genommen, um die Effizienz solcher Spannungsquellen wesentlich zu steigern. Das wird dadurch erreicht, dass die Flussspannung der Bauteile hier wesentlich geringer ist als diejenige von Dioden.

Synchrongleichrichter können auch bei Spannungen von wenigen Volt (zum Beispiel zur Versorgung der CPU eines Computers mit 1,8 V und 20 A) eine Effizienz von über 95% besitzen.

Leistungsfaktor-Korrektur

Blindleistungskompensationsanlage, 75 kvar

Leistungselektronische Baugruppen mit Eingangs-Gleichrichter und Ladekondensator verursachen Blind- und Verzerrungsleistung. Sie können durch vorgeschaltete Leistungsfaktorkorrektur-Baugruppen (engl. power factor correction, PFC) beseitigt werden.

Maßnahmen zur PFC sind notwendig, um der „Verunreinigung“ des Netzes durch immer mehr leistungselektronisch arbeitende Geräte zu begegnen und sind für bestimmte Leistungsklassen und Verbraucher gesetzlich vorgeschrieben (EN 61000-3-2).

Literatur

• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version).
• Uwe Probst: Leistungselektronik für Bachelors. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag München 2008, ISBN 978-3-446-40784-8.
• Dierk Schröder: Leistungselektronische Schaltungen: Funktion, Auslegung und Anwendung. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-69300-0.
• Dierk Schröder: Leistungselektronische Bauelemente. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-28728-5.
• Rainer Jäger, Edgar Stein: Leistungselektronik : Grundlagen und Anwendungen. 6. aktualisierte Auflage. VDE-Verlag, Berlin 2011, ISBN 978-3-8007-2966-1 (Leseprobe).
• Rainer Jäger, Edgar Stein: Übungen zur Leistungselektronik : 82 Übungsaufgaben mit Lösungen; 43 Digitale Simulationen. 1. Auflage. VDE-Verlag, Berlin 2001, ISBN 978-3-8007-2385-0 (Leseprobe).

Weblinks

• ProMoLeS - Forschungsprojekt zur Montage leistungselektronischer Systeme
• Simulationstool zur Leistungsberechnung und zum Designen von leistungselektronischen Bauteilen
• Interaktives Leistungselektronik Seminar (iPES)