Induktivitäten in der Leistungselektronik: Spulen, Trafos und ihre parasitären Eigenschaften PDF
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Manfred Albach Induktivitäten in der Leistungselektronik Spulen, Trafos und ihre parasitären Eigenschaften Induktivitäten in der Leistungselektronik Lizenz zum Wissen. Sichern Sie sich umfassendes Technikwissen mit Sofortzugriff auf tausende Fachbücher und Fachzeitschriften aus den Bereichen: Automobiltechnik, Maschinenbau, Energie + Umwelt, E-Technik, Informatik + IT und Bauwesen. Exklusiv für Leser von Springer-Fachbüchern: Testen Sie Springer für Professionals 30 Tage unverbindlich. 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Jahrgang E FFFLGaeEOlEehsIRRktCrsMÄtzHarUeOoTtuStaPEegCu TleubHtInonMrWestdIwAm EgHiRsceReUkrNälNuEuGnHs cgiMnhU odNpeGtri mvoienr te www.jot1-1o b|e rf2l0a1e2che.de /W/CMT////Ü lcBIaaNVLEluTG taESeEdrRGeürViN nodIERU WNASeGuaiEttnNhotmmoonatiii veer Jetzt PWEERRSKPSETKOTFIFVEE O LPETIICMHITEBRAEUN ISSN 0001-2785 10810 NHPHWPvSKoueacooeirtnhlhrvutht itmeeeFkeesnrae c ZbiPfsQlehöauserrnuaralsüudfdacafrffelhteelmtyrliqiniseitc ceueeäfrhh önlatttienhul kriumt dnoeLängeeidattd ncr din kktueieerrnnncccrrraaahhnn llagenOimp tLiamcakliee rEpnreorzgeisesbilanz 3te0s Ttaegne! Springer für Professionals. Digitale Fachbibliothek. Themen-Scout. Knowledge-Manager. Zugriff auf tausende von Fachbüchern und Fachzeitschriften S elektion, Komprimierung und Verknüpfung relevanter Themen durch Fachredaktionen Tools zur persönlichen Wissensorganisation und Vernetzung www.entschieden-intelligenter.de Springer für Professionals 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 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier- tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH2017 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar- beitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigt auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. SpringerViewegistTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringerFachmedienWiesbadenGmbH DieAnschriftderGesellschaftist:Abraham-Lincoln-Strasse46,65189Wiesbaden,Germany 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
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