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Full Description
Leistungselektroniksysteme verstehen!
Das Buch bietet Studierenden der Elektrotechnik eine Einführung in die grundlegenden Konzepte der Leistungselektronik. Nach einem ausführlichen Einführungskapitel werden dann Themen wie Schaltnetzteile, Gleichstrom-Schaltwandler und Rückkopplungsregler behandelt.
Diodengleichrichter, Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur und Schaltnetzteile werden ebenfalls diskutiert. Spätere Kapitel befassen sich mit dem Soft-Switching in Gleichspannungswandlern, mit den Spannungs- und Stromanforderungen verschiedener Leistungsanwendungen, mit sinusförmigen Gleich- und Niederfrequenz-Wechselspannungen, mit Thyristorwandlern und mit der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen.
Im Buch finden die Leserinnen und Leser detaillierte Informationen über:
Die Eigenschaften verschiedener Leistungshalbleiter, die in leistungselektronischen Systemen unverzichtbar sind, sowie deren Schaltverhalten
Grundlagen verschiedener Wandler und deren Betrieb sowie grundlegende Konzepte für die Rückkopplungssteuerung, veranschaulicht anhand von geregelten Gleichspannungswandlern
Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit magnetischen Schaltkreisen, um ein Verständnis für Spulen und Transformatoren zu entwickeln, die in der Leistungselektronik benötigt werden
Probleme im Zusammenhang mit hartem Schalten und einige der praktischen Schaltungen, bei denen dieses Problem durch weiches Schalten minimiert werden kann
Contents
Hardwareimplementierung xv
Vorwort des Übersetzers xvii
Spezieller Dank xix
Vorwort xxi
Dank xxiii
Über die begleitende Website xxv
Der Übersetzer xxvii
1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie 1
1.1 Einführung in die Leistungselektronik 1
1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik 2
1.2.1 Stromversorgungen in der Informationstechnologie 2
1.2.2 Robotik und flexible Produktion 3
1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien 4
1.3.1 Energiesparmaßnahmen 4
1.3.1.1 Elektromotorisch betriebene Systeme 5
1.3.1.2 Beleuchtung mit LEDs 5
1.3.1.3 Transport und Verkehr 5
1.3.2 Erneuerbare Energien 6
1.3.3 Leistungselektronik in der Energieversorgung 7
1.3.4 Raumfahrt- und militärische Anwendungen 8
1.4 Effizienz und Leistungsdichte 8
1.5 Struktur von Wandlersystemen 9
1.5.1 Spannungszwischenkreise 10
1.5.2 Stromzwischenkreise 10
1.5.3 Direktwandler 11
1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis 12
1.6.1 Schaltwandler: Der Leistungsschalter als Grundbaustein 13
1.6.2 Pulsweitenmodulation (PWM) 14
1.6.3 Der Leistungsschalter im DC-DC-Abwärtswandler: Ein Beispiel 15
1.6.3.1 Realisierung des bistabilen Schalters in einem Abwärtswandler 16
1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen 17
1.8 Simulation und Hardware-Prototyping 18
literatur 19
Übungsbeispiele 19
2 Design des Leistungsschalters 25
2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden 25
2.2 Wahl der Leistungstransistoren 26
2.2.1 MOSFETs 26
2.2.2 IGBTs 28
2.2.3 Integrierte und intelligente Leistungsmodule 28
2.2.4 Kosten von MOSFETs und IGBTs 29
2.3 Wahl der Leistungsdioden 29
2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern 30
2.4.1 Einschaltverhalten 31
2.4.2 Ausschaltverhalten 33
2.4.3 Leistungsverluste im MOSFET 34
2.4.3.1 Leitverluste 34
2.4.3.2 Schaltverluste 34
2.4.4 Integrierte Gate-Treiber mit eingebauter Schutzschaltung 35
2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden 36
2.6 Dimensionierungskriterien 37
2.6.1 Schaltfrequenz 37
2.6.2 Auswahl von Transistoren und Dioden 38
2.6.3 Magnetische Komponenten 38
2.6.4 Kondensatoren 38
2.6.5 Thermisches Design 39
2.6.6 Designkompromisse 40
2.7 Der PWM-IC 40
2.8 Hardware-Prototyping 41
literatur 42
Übungsbeispiele 43
3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design 47
3.1 DC-DC-Wandler 47
3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb 48
3.3 Vereinfachende Annahmen 51
3.4 Allgemeines Betriebsprinzip 52
3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb 52
3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 56
3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb 57
3.6.1 Simulation und Hardware-Prototyping 62
3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb 64
3.7.1 Simulation und Hardware-Prototyping 68
3.7.2 Andere Inverswandler-Topologien 70
3.7.2.1 SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductor Converters) 70
3.7.2.2 Ćuk-Wandler 71
3.8 Topologieauswahl 72
3.9 Worst-Case-Design 73
3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen 73
3.10.1 Simulation und Hardware-Prototyping 74
3.11 Verschachtelte Wandler 78
3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM 78
3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM 79
3.14 Bidirektionale Leistungsschalter 82
3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM) 83
3.15.1 Kritischer Lastzustand an der Grenze zwischen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Leitung 84
3.15.2 Abwärtswandler im stationären DCM-Zustand 85
3.15.3 Simulation und Hardware-Prototyping 86
3.15.3.1 Klingeln der Spannung am Leistungsschalter 87
3.15.4 Aufwärtswandler im stationären DCM-Zustand 88
3.15.5 Simulation und Hardware-Prototyping 89
3.15.6 Inverswandler im stationären DCM-Betrieb 91
3.15.7 Simulation und Hardware-Prototyping 92
3.15.8 Mittelwertdarstellung im CCM und DCM für die dynamische Analyse 93
literatur 94
Übungsbeispiele 95
Anhang 3A: Mittelwertmodell für den diskontinuierlichen Strommodus (dcm) 102
4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen 107
4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung 107
4.2 Regelungstheorie - Ein Überblick 108
4.2.1 Schleifenübertragungsfunktion G l (s) 109
4.2.2 Die Transitfrequenz f c 110
4.2.3 Phasen- und Verstärkungsreserve 110
4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion 111
4.3.1 Linearisierung des Pulsweitenmodulators 111
4.3.2 Linearisierung der Leistungsstufe von DC-DC-Wandlern im CCM 112
4.3.2.1 Verwendung Von Computersimulation Zur Bestimmung Von V O ̃ /dd ̃ 115
4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung 117
4.4.1 Das Schritt-für-Schritt-Verfahren 119
4.4.2 Simulation und Hardware-Prototyping 121
4.5 Spitzenstromregelung 126
4.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 130
4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM 134
Literatur 135
Übungsbeispiele 135
Anhang 4.A: Bode-Diagramme von Übertragungsfunktionen mit Polen und Nullstellen 137
Anhang 4.B: Übertragungsfunktionen im kontinuierlichen Strommodus (ccm) 140
Anhang 4.C: Herleitung der Parameter für die Übertragungsfunktionen der Regler 146
5 Netzgleichrichter mit Dioden 151
5.1 Einführung 151
5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor 152
5.2.1 Effektivwert von Strömen mit Oberwellen und der Klirrfaktor (thd) 152
5.2.1.1 Bestimmung von harmonischen Komponenten durch Fourier- Analyse 154
5.2.2 Verschiebungsfaktor (DPF) und Leistungsfaktor (PF) 156
5.2.3 Negative Auswirkungen des Klirrfaktors und eines schlechten Leistungsfaktors 158
5.2.3.1 Richtlinien zur Aufrechterhaltung der Stromqualität 158
5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz 160
5.4 Dioden-Brückengleichrichter 160
5.4.1 Einphasen-Brückengleichrichter 161
5.4.1.1 Zwischenkreis-Kondensator zur Reduktion der Welligkeit auf der Gleichspannungsseite 162
5.4.1.2 Auswirkungen von l s und c d auf die Signalformen und den Klirrfaktor 164
5.4.2 Simulation mit LTspice 164
5.4.3 Dreiphasen-Brückengleichrichter 165
5.4.3.1 Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators 166
5.4.4 Simulation mit LTspice 168
5.4.5 Vergleich von Einphasen- und Dreiphasengleichrichtern 169
5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen 169
5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss 169
literatur 170
Übungsbeispiele 170
6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers 173
6.1 Einführung 173
6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen 173
6.3 Regelung von PFCs 177
6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell 178
6.4.1 Übertragungsfunktion des PWM-Reglers 179
6.4.2 Übertragungsfunktion des Aufwärtswandlers in der Leistungsstufe 179
6.4.3 Entwurf der Übertragungsfunktion des Stromreglers 180
6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife 180
6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems 182
6.6.1 Entwurf der Stromregelschleife 182
6.6.2 Entwurf der Spannungsregelschleife 182
6.6.3 Simulationsergebnisse 183
6.7 Durchleitung der Eingangsspannung 184
6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs 184
literatur 185
Übungsbeispiele 185
Anhang 6.A 185
Anhang 6.B 186
7 Magnetische Kreise 189
7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss 189
7.2 Induktivität 190
7.2.1 Energiespeicherung in Magnetfeldern 191
7.3 Faradays Gesetz 192
7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten 193
7.4.1 Gegenseitige Induktivitäten 195
7.5 Transformatoren 195
7.5.1 Faradays Gesetz 195
7.5.2 Ampersches Gesetz 196
7.5.3 Transformator Ersatzschaltbild 197
literatur 198
Übungsbeispiele 198
8 DC-Schaltnetzteile 201
8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen 201
8.2 Bedarf an elektrischer Isolation 201
8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern 202
8.4 Sperrwandler 202
8.4.1 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM ohne Snubber 205
8.4.2 RCD-Snubber 207
8.4.2.1 Stationärer Betrieb des RCD-Snubber 208
8.4.2.2 Design eines RCD-Snubbers 210
8.4.3 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM mit Snubberschaltung 212
8.4.4 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im DCM mit Snubberschaltung 214
8.5 Flusswandler 216
8.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 218
8.5.2 Flusswandler mit zwei Schaltern 221
8.6 Vollbrückenwandler 222
8.6.1 PWM-Steuerung 223
8.6.2 PSM-Steuerung 223
8.6.2.1 Intervall DT s mit eingeschalteten Transistoren T 1 , T 2 224
8.6.2.2 Intervall (1/2 - D)T s : Alle Transistoren sind ausgeschaltet 224
8.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping 226
8.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler 228
8.8 Praktische Überlegungen 229
literatur 229
Übungsbeispiele 229
9 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren 233
9.1 Einführung 233
9.2 Grundlagen des magnetischen Designs 233
9.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren 234
9.4 Flächenprodukt-Methode 234
9.4.1 Kernfensterfläche 234
9.4.2 Kernquerschnittsfläche 235
9.4.3 Kernflächenprodukt 236
9.4.4 Entwurfsverfahren basierend auf dem Flächenprodukt A p 237
9.5 Entwurfsbeispiel für eine Spule 238
9.6 Entwurfsbeispiel eines Transformators für einen Vorwärtswandler 239
9.7 Thermische Überlegungen 240
literatur 240
Übungsbeispiele 240
10 Soft switching in DC-DC-Wandlern und Halbbrücken- Resonanzwandlern 243
10.1 Einführung 243
10.2 Harte Schaltvorgänge in Leistungsschaltern 243
10.3 Weiche Schaltvorgänge in Leistungsschaltern 245
10.3.1 Zero-Voltage Switching (ZVS) 245
10.3.2 Synchroner Abwärtswandler mit ZVS 246
10.3.3 Phasenmodulierte DC-DC-Wandler 248
10.4 Halbbrücken-Resonanzwandler 249
literatur 250
Übungsbeispiele 250
11 Schaltnetzteile in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiesystemen 253
11.1 Einführung 253
11.2 Elektrische Antriebe 253
11.2.1 Gleichstrommotoren 254
11.2.1.1 Anforderungen von Gleichstrommaschinen an die Leistungsaufbereitungseinheit 257
11.2.2 AC-Antriebe mit Permanentmagneten 257
11.2.2.1 Anforderungen von PMAC-Maschinen an die PPU 260
11.2.3 Induktionsmaschinen 261
11.2.3.1 Anforderungen, die von Induktionsmaschinen an die PPU gestellt werden 265
11.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) 266
11.4 Schaltwandler in Versorgungsnetzen 266
literatur 268
Übungsbeispiele 268
12 Synthese von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen für Motoren, USV- und Energiesysteme 271
12.1 Einführung 271
12.2 Bidirektionale Leistungsschalter 272
12.2.1 Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem bidirektionalen Schaltermodul 273
12.3 Wandler für Gleichstrommotoren 276
12.3.1 Schaltspannungssignale in einem Wandler für Gleichstromantriebe 278
12.4 Synthese von Niederfrequenz-Wechselstrom 281
12.5 Einphasige Wechselrichter 282
12.5.1 Schaltsignalformen in einem einphasigen Wechselrichter 284
12.5.2 Simulation und Hardware-Prototyping 285
12.6 Dreiphasige Wechselrichter 287
12.6.1 Sinus-PWM 289
12.6.2 Schaltsignalformen in einem dreiphasigen Wechselrichter mit Sinus-PWM 290
12.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping 291
12.6.4 Raumzeiger-PWM 293
12.6.5 Definition von Raumzeigern 294
12.6.6 Raumzeiger-PWM 296
12.6.7 Amplitudenlimit des Statorraumzeigers 298
12.6.8 Simulation und Hardware-Prototyping 299
12.6.9 Übermodulation und Rechtecksignal-Betriebsmodus 301
12.7 Mehrstufige Schaltwandler 303
12.7.1 Wandler für bidirektionalen Leistungsfluss 304
12.7.2 Direktwandler 305
literatur 306
Übungsbeispiele 307
13 Thyristorwandler 311
13.1 Einführung 311
13.2 Thyristoren 311
13.2.1 Einfache Thyristor-Gleichrichterschaltungen 312
13.3 Einphasige Thyristorwandler 313
13.3.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf 316
13.3.2 Einfluss der Serieninduktivität auf die Stromkommutierung 316
13.4 Dreiphasige Vollbrücken-Thyristorwandler 318
13.4.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf 320
13.4.2 Einfluss der Serieninduktivität 321
13.5 Stromübertragungssysteme 324
literatur 325
Übungsbeispiele 325
14 Anwendungen der Leistungselektronik in der Netzversorgung 327
14.1 Einführung 327
14.2 Leistungsbauelemente und ihre Fähigkeiten 328
14.3 Kategorisierung von leistungselektronischen Systemen 329
14.3.1 Halbleiterschalter 329
14.3.2 Wandler als Schnittstelle zur Netzversorgung 329
14.3.2.1 Spannungsübertragung 329
14.3.2.2 Stromübertragung 330
14.4 Dezentrale Energieerzeugung 330
14.4.1 Windelektrische Systeme 331
14.4.1.1 Induktionsgeneratoren, direkt am Netz 332
14.4.1.2 Doppeltgespeiste Schleifringläufer-Asynchrongeneratoren 332
14.4.1.3 Einspeisung über eine Leistungselektronik 332
14.4.2 Photovoltaiksysteme 333
14.4.3 Brennstoffzellen 334
14.4.4 Mikroturbinen 334
14.4.5 Energiespeichersysteme 335
14.5 Elektronische Lasten 336
14.6 Lösungen für die Netzqualität 336
14.6.1 Doppelte Zuleitungen 336
14.6.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen 337
14.6.3 Dynamische Spannungsregler 337
14.7 Anwendungen in Übertragungs- und Verteilungsnetzen 337
14.7.1 Hochspannungs-Gleichstromübertragung 338
14.7.1.1 Thyristorbasierte Stromübertragung 338
14.7.1.2 HVDC-Übertragungssystem mit spannungsgesteuerten Wandlern auf IGBT-Basis 339
14.7.2 Flexible Wechselstrom-Übertragungssysteme 339
14.7.2.1 Parallelgeschaltete Bauelemente zur Spannungsregelung 340
14.7.2.2 In Reihe geschaltete Bauelemente zur Steuerung der effektiven Serienreaktanz X 340
14.7.2.3 Statische Phasenwinkelsteuerung und vereinheitlichter Leistungsflussregler 341
literatur 342
Übungsbeispiele 342
Index 345
