Kapitel 2

2 Übersicht zu Stromrichtern
2.1 Ideale Ventile
In der Leistungselektronik eingesetzte Ventile haben grundsätzlich zwei Aufgaben.
Erstens schalten sie den Strom ein und aus und zweitens wirken sie wie ein
Ventil, d.h., sie lassen den Strom nur in einer Richtung durch. Ergänzend kommt
noch die Steuermöglichkeit hinzu. Hier gibt es wiederum zwei unterschiedliche
Wirkungsweisen. Erstens kann der Einschaltpunkt durch einen Steuerimpuls zeitlich
gesteuert werden. Liegt ein Steuersignal an der Steuerelektrode (z.B. Gate)
und positive Spannung zwischen Anode und Kathode, schaltet das Ventil ein. Der
Übergangswiderstand wird fast Null. Das Ausschalten erfolgt automatisch bei einer
Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode kleiner Null. Der Übergangswiderstand
wird sehr groß. Zweitens wird sowohl das Einschalten als auch
das Ausschalten durch einen Impuls am Gate eingeleitet.
Da in den Simulationsbeispielen die Eigenschaften von Netzwerken untersucht
werden, können bei dieser Simulationstiefe Ventile mit idealem Schaltverhalten
angenommen werden. Sie haben dann keine Innenwiderstände und sind somit in
ihrem Schaltverhalten verlustfrei.
Bei Verlustbetrachtungen müssen die Innenwiderstände der Schaltelemente berücksichtigt
werden. Je nach Fragestellung führen entweder einfachere oder aufwendigere
Simulationen zum Ziel. Der Ingenieur muss den technisch und wirtschaftlich
sinnvollsten Ansatz finden.
2.2 Mechanische Schalter
Diese Schalter sind hier nur zum Vergleich mit den Halbleiterventilen aufgeführt.
Sie können als veränderliche ohmsche Widerstände mit zwei Zuständen aufgefasst
werden. Entweder sind ihre Widerstände bei offenem Schalter sehr groß oder sie
sind bei geschlossenem Schalter fast Null. Geöffnet isolieren sie sowohl posit ive
als auch negative Sperrspannungen. Geschlossen leiten sie den Strom unabhängig
von seiner Richtung. Sie sperren oder leiten im Gegensatz zu den Halbleiterventilen
je nach Schaltzustand in beiden Spannungsrichtungen. Sie haben also keine
Ventilwirkung. Die Fläche der Strom-Spannungs-Kennlinie in Bild 2.1 ist ein Maß
für die Schaltleistung. Sie wird aus dem Produkt des maximalen Durchlassstromes
und der maximalen Sperrspannung bestimmt. Oft müssen maximale Leistungsgrenzen
vorgesehen werden, so dass sich an den Ecken der Grenzkennlinien hyperbolische
Einschnitte ergeben. Mechanische Schalter trennen im geöffneten Zu-

2.3 Halbleiterschalter 37
stand die metallische Verbindung. Das ermöglicht eine sichere Arbeit im abgeschalteten
Zustand. Die Schalter haben je nach Größe der bewegten Massen eine
gewisse Trägheit. Sie können deswegen nicht mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten.
Außerdem sind die mechanischen Teile verschleißanfällig.
2.3 Halbleiterschalter
Bild 2.1: Mechanischer Schalter
Es gibt ungesteuerte und gesteuerte Halbleiterschalter. Letztere können durch
Zündimpulse über ihr Gate eingeschaltet werden, wenn gleichzeitig die Spannung
über der Anode zur Kathode positiv ist. Sie arbeiten in der Regel richtungs abhängig.
Man nennt sie deswegen auch Ventile . Nichtabschaltbare Ventile werden
durch einen Stromnulldurchgang ausgeschaltet, der durch den äußeren Schaltkreis
erzwungen wird.
Ferner muss sichergestellt werden, dass der Spannungsabfall am Ventil für einige
Zeit negativ wird, bis Restladungsträger abgeflossen sind. Die dazu benötigte Zeitspanne,
die Freiwerdezeit tq, muss überschritten werden. Aus Sicherheitsgründen
wird eine Schonzeit tc größer als tq vorgesehen, bevor die Spannung am Ventil über
Anode und Kathode wieder pos itiv werden darf. Die Schonzeit tc wird durch
den Schaltungsaufbau vorgegeben, während die Freiwerdezeit bauteilabhängig ist.
Sie folgt aus den Unterlagen des Herstellers. Abschaltbare Ventile dagegen benötigen
zusätzlich einen zweiten Steuerimpuls und damit eine zweite Steuerelektrode
zum Ausschalten.
2.3.1 Nicht abschaltbare Ventile
I
Dioden sind nicht steuerbare, nicht abschaltbare Halbleiterschalter. Während die
Ein- und Ausschaltzeitpunkte mechanischer Schalter willkürlich von außen vor gegeben
werden, schalten Dioden spannungsabhängig. Sie schalten ein, wenn die
U

38
2 Übersicht zu Stromrichtern
Spannung in Richtung von Anode A nach Kathode K positiv wird und schalten bei
entgegengesetzter Spannung aus. Sie lassen Strom nur in einer Richtung durch; sie
arbeiten richtungsabhängig. Sie trennen die Leitungen beim Abschalten nicht galvanisch.
A K
Bild 2.2: Ideale Diodenkennlinie
Thyristoren sind steuerbare Halbleiterschalter. Sie werden durch Steuerimpulse
über ihr Gate G eingeschaltet. Das funktioniert nur, wenn die Spannung in Richtung
von der Anode zur Kathode positiv ist. Das Ausschalten erfolgt beim Nulldurchgang
des Laststroms. Das schränkt ihre Anwendungen ein. Im abgeschalteten
Zustand können sie sowohl positive Sperrspannungen UT als auch negative Sperrspanungen
UR aufnehmen, wenn der Halbleiter ladungsfrei ist. Um das zu erreichen,
muss für eine ge wisse Schonzeit tq> tc über dem Ventil eine ne gative Sperrspannung
anliegen, damit die Restladungen als Rückstrom abgeleitet werden können.
Die Einhaltung der Freiwerdezeit tc muss durch den Schaltungs aufbau gewährleistet
sein.
A
Bild 2.3: Ideale Thyristorkennlinie
K
G

2.3 Halbleiterschalter 39
2.3.2 Abschaltbare Ventile
Zu den abschaltbaren Ventilen gehören Halbleiterventile mit unterschiedlichen
Eigenschaften hinsichtlich Schaltleistung, Durchlassstrom, Sperrspannung und
Schaltfrequenz.
Zu ihnen zählen:
• GTO (Gate Turn Off Thyristor)
Bild 2.4: Ideale abschaltbare Ventile
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• BJT (Bipolar Junction Transistor)
• MOSFET (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Da wegen der Idealisierung des Schaltverhaltens die Innenwiderstände vernachlässigt
werden, schalten die Ventile ohne Schalt- und Durchlassverluste. Da sie keine
bewegten Massen besitzen, ist die Schaltzeit minimal. Sie werden hauptsächlich
beim Schalten von Gleichstromkreisen verwendet, da hier der für den Abschaltvorgang
der Thyristoren notwendige Stromnulldurchgang meist nicht eintritt. Bei
sehr großen Leistungen werden in diesem Bereich noch Thyristoren mit be sonderen
Lösch-Schaltungen zum Erzwingen des Stromnulldurchgangs eingesetzt.
Schaltbedingungen gesteuerter Ventile:
Einschaltbedingung
1. Es muss eine positive Sperrspannung vorhanden sein.
2. Es muss ein positiver Zündimpuls am Gate liegen.
Ausschaltbedingung
1. Stromnulldurchgang bei nicht abschaltbaren Ventilen
2. Zündimpuls bei abschaltbaren Ventilen
A
K
E i n
A u s

40
2.4 Reale Ventile
2 Übersicht zu Stromrichtern
Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors in Bild 2.5 zeigt das reale Schaltverhalten
eines Ventils.
Im leitenden Zustand ist die Durchlasskennlinie geneigt. Der Innenwiderstand des
Halbleiters bestimmt diese Neigung und damit die Durchlassverluste. Am Ventil
fällt die Durchlassspannung UT ab.
Im Sperrzustand fließen in beiden Richtungen negative Sperrströme. Dies sind IR
bei negativer Sperrspannung UR und IT bei positiver Sperrspannung UT.
2.4.1 Leistungsvergleich
Bild 2.5: Realer Thyristor
Ideale Schalter sind definitionsgemäß verlustlos, während im realen Betrieb die
Schaltelemente ihre Schalt- und Durchlassverluste (Bild 2.6) durch entsprechende
Kühlung an die Umgebung abführen müssen. Schaltverluste sind proportional zur
Schaltfrequenz und besitzen hohe Scheitelwerte. Deswegen müssen zwischen den
Schalthandlungen Erholungszeiten für ausreichende Kühlung liegen. Dadurch
wird die maximale Schaltfrequenz begrenzt. Zunehmend gibt es wegen der hohen
Schaltfrequenzen Probleme bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV).

2.5 Stromrichterfunktionen 41
u
i
p
Schaltsignale
Tabelle 2.1: Abschaltbare Ventile
t
Bild 2.6: Verlustlose und verlustbehaftete Ventile
Ventile Grenzen Schaltverzögerung
MOSFET UDS = 1000 V bei
iD = 15 A UDS = 50 V
bei iD = 250 A
IGBT UCE = 1600 V
iC = 1200 A
GTO UAK = 4500 V
iA = 3000 A
i
pV = 0
2.5 Stromrichterfunktionen
uV
t
t
Minimale
Pulsweite
pV
Schaltverluste
Einsatzbereich
0,05..0,5 µs 0,5...2 µs hohe Schaltfrequenzen bis
1 MHz, Schaltleistung bis
10 kVA
0,4...1,2 µs 2..5 µs mittlere Schaltleistung,
mittlere Fre quenzen
10..40 µs 50...200 µs hohe Schaltleistung, niedrige
Fre quenzen, hoher
Beschaltungsaufwand
Leistungselektronische Systeme bestehen aus einer elektrischen Quelle und einer
Last. Ein leistungselektronischer Kreis enthält Schalter, Speicher und Steuerkreise.
Elektrische Energie wird zwischen Erzeuger und Verbraucher ausgetauscht (Bild
2.7). Sie können zeitabhängig ihre Rollen vertauschen. Ein Motor kann z.B.
Bremsenergie ins Netz zurückspeisen und wird dann zum Erzeuger, also zum Generator.
Trägermedium der Energie sind Wechselspannung und Wechselstrom. Es
gehört zur Aufgabe der Stromrichter, den Energieträger sowohl in der Amplitude
als auch in der Frequenz variabel passend für die jeweilige Anforderung bereit zustellen.
Die Frequenz der Gleichspannung mit f = 0 Hz ist in diesem Zusammenhang
nur ein Sonderfall. Der Gleichrichter ist also ein spezieller Stromrichter mit
der Ausgangsfrequenz f = 0 Hz.
u
i
Schaltsignale
i
Durchlassverluste
uV
t
t
t

42
2 Übersicht zu Stromrichtern
Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen der Stromrichter gehören:
• Speisung drehzahlvariabler Gleichstromantriebe
• Speisung drehzahlvariabler Drehstromantriebe mit Synchron- oder Asynchronmaschinen
• Versorgung von Inselnetzen (Bordnetze)
• Bereitstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung durch USV-Anlagen
• Energieübertragung
• Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ); Vermeidung von Wechselspannungs-Übertragungsverlusten
bei großen Entfernungen
• Netzkurzkupplung (zwischen Netzen unterschiedlicher Stabilität und Frequenz)
• Versorgung von allgemeinen Wechselstromlasten (Lautsprecher durch geschaltete
Leistungsverstärker oder Lichtbogenstrecken von Schweißanlagen)
• Einspeisung regenerativer Energie (Fotovoltaik; Windgeneratoren)
• kurzzeitige Energiespeicherung (Akkumukatoren)
• Blindleistungskompensation (dynamische Kompensationsanlagen)
2.5.1 Gleichrichter
Bild 2.7: Stromrichterfunktionen
Sie arbeiten am Wechselspannungsnetz (einphasig) oder am Drehstromnetz (dreiphasig).
Ungesteuerte Ventile, wie Dioden, formen den Effektivwert der Wechselspannung
US in einen konstanten Gleichspannungsmittelwert Ud um. Die Eingangsfrequenz
f1 = fNetz wird in die Ausgangsfrequenz f2 = 0 umgeformt. Gesteuerte
Ventile, wie Thyristoren, erzeugen zusätzlich am Ausgang eine gesteuerte
Gleichspannung Udα, deren Betrag stets kleiner als die ungesteuerte Gleichspannung
Ud ist. Bei ungesteuerten Gleichrichtern ist Ud = Udα (α = 0°). Man spricht
dann von Vollsteuerung.

2.5 Stromrichterfunktionen 43
2.5.2 Wechselrichter
Sie formen die Energie eines Gleichstromnetzes der Frequenz f1 = 0 und der Spannung
Ud in die Spannung US mit der Frequenz f2 = fNetz um, wenn es sich um einen
netzgeführten Wechselrichter handelt. Ein selbstgeführter Wechselrichter kann im
Unterschied zum netzgeführten Wechselrichter jede beliebige Ausgangsfrequenz f2
abgeben. Bei der Netzführung synchronisieren sich die Zündimpulse mit dem Takt
der Netzfrequenz. Bei der Selbstführung gibt eine einstellbaren Taktfrequenzquelle
(Quarz) die Zündimpulse vor.
2.5.3 Gleichstromumrichter (Gleichstromsteller)
Sie formen eine konstante Gleichspannung Ud1 in eine veränderbare Gleic hspannung
Ud2 ≤ Ud1 um.
2.5.4 Wechselstromsteller
Sie formen eine Wechselspannung U1 der Frequenz f1 in eine Wechselspannung
U2 < U1 mit f2 = f1 um. Sie werden in einphasiger Ausführung als Wechselstromsteller
und in dreiphasiger Ausführung als Drehstromsteller bezeichnet.
2.5.5 Frequenzumrichter
Sie formen als Direktumrichter eine Wechselspannung U1 der Frequenz f1 in eine
Wechselspannung U2 der Frequenz f2 um, mit der Bedingung, dass f2