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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
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
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Seitenzahl: 406
Veröffentlichungsjahr: 2025
Ähnliche
Cover
Titelblatt
Urheberrechte
1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie
1.1 Einführung in die Leistungselektronik
1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik
1.2.1 Stromversorgungen in der Informationstechnologie
1.2.2 Robotik und flexible Produktion
1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien
1.3.1 Energiesparmaßnahmen
1.3.1.1 Elektromotorisch betriebene Systeme
1.3.1.2 Beleuchtung mit LEDs
1.3.1.3 Transport und Verkehr
1.3.2 Erneuerbare Energien
1.3.3 Leistungselektronik in der Energieversorgung
1.3.4 Raumfahrt- und militärische Anwendungen
1.4 Effizienz und Leistungsdichte
1.5 Struktur von Wandlersystemen
1.5.1 Spannungszwischenkreise
1.5.2 Stromzwischenkreise
1.5.3 Direktwandler
1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis
Gruppe 1
Gruppe 2
1.6.1 Schaltwandler: Der Leistungsschalter als Grundbaustein
1.6.2 Pulsweitenmodulation (PWM)
1.6.3 Der Leistungsschalter im DC-DC-Abwärtswandler: Ein Beispiel
1.6.3.1 Realisierung des bistabilen Schalters in einem Abwärtswandler
1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen
1.8 Simulation und Hardware-Prototyping
Literatur
2 Design des Leistungsschalters
2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden [1]
2.2 Wahl der Leistungstransistoren [2–5]
2.2.1 MOSFETs
2.2.2 IGBTs
2.2.3 Integrierte und intelligente Leistungsmodule [2–4]
2.2.4 Kosten von MOSFETs und IGBTs
2.3 Wahl der Leistungsdioden
2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern
2.4.1 Einschaltverhalten
2.4.2 Ausschaltverhalten
2.4.3 Leistungsverluste im MOSFET
2.4.3.1 Leitverluste
2.4.3.2 Schaltverluste
2.4.4 Integrierte Gate-Treiber mit eingebauter Schutzschaltung [2]
2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden
2.6 Dimensionierungskriterien
2.6.1 Schaltfrequenz
2.6.2 Auswahl von Transistoren und Dioden
2.6.3 Magnetische Komponenten
2.6.4 Kondensatoren [7]
2.6.5 Thermisches Design [8–9]
2.6.6 Designkompromisse
2.7 Der PWM-IC
2.8 Hardware-Prototyping
Literatur
3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design
3.1 DC-DC-Wandler [1]
3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb
3.3 Vereinfachende Annahmen
3.4 Allgemeines Betriebsprinzip
3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.6.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb
3.7.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.7.2 Andere Inverswandler-Topologien
3.7.2.1 SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductor Converters)
3.7.2.2 Ćuk-Wandler
3.8 Topologieauswahl [5]
3.9 Worst-Case-Design
3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen [6]
3.10.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.11 Verschachtelte Wandler
3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM
3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM
3.14 Bidirektionale Leistungsschalter
3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM)
3.15.1 Kritischer Lastzustand an der Grenze zwischen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Leitung
3.15.2 Abwärtswandler im stationären DCM-Zustand
3.15.3 Simulation und Hardware-Prototyping
3.15.3.1 Klingeln der Spannung am Leistungsschalter
3.15.4 Aufwärtswandler im stationären DCM-Zustand
3.15.5 Simulation und Hardware-Prototyping
3.15.6 Inverswandler im stationären DCM-Betrieb
3.15.7 Simulation und Hardware-Prototyping
3.15.8 Mittelwertdarstellung im CCM und DCM für die dynamische Analyse
Literatur
4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen
4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung
4.2 Regelungstheorie – Ein Überblick
4.2.1 Schleifenübertragungsfunktion GL(s)
4.2.2 Die Transitfrequenz fc
4.2.3 Phasen- und Verstärkungsreserve
4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion
4.3.1 Linearisierung des Pulsweitenmodulators
4.3.2 Linearisierung der Leistungsstufe von DC-DC-Wandlern im CCM
4.3.2.1 Verwendung von Computersimulation zur Bestimmung von
4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung
4.4.1 Das Schritt-für-Schritt-Verfahren
4.4.2 Simulation und Hardware-Prototyping
4.5 Spitzenstromregelung
4.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM
Literatur
5 Netzgleichrichter mit Dioden
5.1 Einführung
5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor
5.2.1 Effektivwert von Strömen mit Oberwellen und der Klirrfaktor (THD) [1]
5.2.1.1 Bestimmung von harmonischen Komponenten durch Fourier-Analyse
5.2.2 Verschiebungsfaktor (DPF) und Leistungsfaktor (PF)
5.2.3 Negative Auswirkungen des Klirrfaktors und eines schlechten Leistungsfaktors
5.2.3.1 Richtlinien zur Aufrechterhaltung der Stromqualität
5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz
5.4 Dioden-Brückengleichrichter
5.4.1 Einphasen-Brückengleichrichter
5.4.1.1 Zwischenkreis-Kondensator zur Reduktion der Welligkeit auf der Gleichspannungsseite
5.4.1.2 Auswirkungen von Ls und Cd auf die Signalformen und den Klirrfaktor
5.4.2 Simulation mit LTspice
5.4.3 Dreiphasen-Brückengleichrichter
5.4.3.1 Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators
5.4.4 Simulation mit LTspice
5.4.5 Vergleich von Einphasen- und Dreiphasengleichrichtern
5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen
5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss
Literatur
6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers
6.1 Einführung
6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen
6.3 Regelung von PFCs
6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell
6.4.1 Übertragungsfunktion des PWM-Reglers
6.4.2 Übertragungsfunktion des Aufwärtswandlers in der Leistungsstufe
6.4.3 Entwurf der Übertragungsfunktion des Stromreglers
6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife
6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems
6.6.1 Entwurf der Stromregelschleife
6.6.2 Entwurf der Spannungsregelschleife
6.6.3 Simulationsergebnisse
6.7 Durchleitung der Eingangsspannung
6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs
Literatur
7 Magnetische Kreise
7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss
7.2 Induktivität
7.2.1 Energiespeicherung in Magnetfeldern
7.3 Faradays Gesetz
7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten
7.4.1 Gegenseitige Induktivitäten
7.5 Transformatoren
7.5.1 Faradays Gesetz
7.5.2 Ampersches Gesetz
7.5.3 Transformator-Ersatzschaltbild
Literatur
8 DC-Schaltnetzteile
8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen
8.2 Bedarf an elektrischer Isolation
8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern
8.4 Sperrwandler
8.4.1 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM ohne Snubber
8.4.2 RCD-Snubber
8.4.2.1 Stationärer Betrieb des RCD-Snubbers
8.4.2.2 Design eines RCD-Snubbers
8.4.3 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM mit Snubberschaltung
8.4.4 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im DCM mit Snubberschaltung
8.5 Flusswandler
8.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
8.5.2 Flusswandler mit zwei Schaltern
8.6 Vollbrückenwandler
8.6.1 PWM-Steuerung
8.6.2 PSM-Steuerung
8.6.2.1 Intervall DTs mit eingeschalteten Transistoren T1, T2
8.6.2.2 Intervall (1/2 – D)Ts: Alle Transistoren sind ausgeschaltet
8.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping
8.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler
8.8 Praktische Überlegungen
Literatur
9 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren
9.1 Einführung
9.2 Grundlagen des magnetischen Designs
9.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren
9.4 Flächenprodukt-Methode
9.4.1 Kernfensterfläche
9.4.2 Kernquerschnittsfläche
9.4.3 Kernflächenprodukt
9.4.4 Entwurfsverfahren basierend auf dem Flächenprodukt Ap
9.5 Entwurfsbeispiel für eine Spule
9.6 Entwurfsbeispiel eines Transformators für einen Vorwärtswandler
9.7 Thermische Überlegungen
Literatur
10 Soft switching in DC-DC-Wandlern und Halbbrücken-Resonanzwandlern
10.1 Einführung
10.2 Harte Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
10.3 Weiche Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
10.3.1 Zero-Voltage Switching (ZVS)
10.3.2 Synchroner Abwärtswandler mit ZVS
10.3.3 Phasenmodulierte DC-DC-Wandler
10.4 Halbbrücken-Resonanzwandler
Literatur
11 Schaltnetzteile in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiesystemen
11.1 Einführung
11.2 Elektrische Antriebe
11.2.1 Gleichstrommotoren
11.2.1.1 Anforderungen von Gleichstrommaschinen an die Leistungsaufbereitungseinheit
11.2.2 AC-Antriebe mit Permanentmagneten
11.2.2.1 Anforderungen von PMAC-Maschinen an die PPU
11.2.3 Induktionsmaschinen
11.2.3.1 Anforderungen, die von Induktionsmaschinen an die PPU gestellt werden
11.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
11.4 Schaltwandler in Versorgungsnetzen
Literatur
12 Synthese von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen für Motoren, USV- und Energiesysteme
12.1 Einführung
12.2 Bidirektionale Leistungsschalter
12.2.1 Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem bidirektionalen Schaltermodul
12.3 Wandler für Gleichstrommotoren
12.3.1 Schaltspannungssignale in einem Wandler für Gleichstromantriebe
12.4 Synthese von Niederfrequenz-Wechselstrom
12.5 Einphasige Wechselrichter
12.5.1 Schaltsignalformen in einem einphasigen Wechselrichter
12.5.2 Simulation und Hardware-Prototyping
12.6 Dreiphasige Wechselrichter
12.6.1 Sinus-PWM
12.6.2 Schaltsignalformen in einem dreiphasigen Wechselrichter mit Sinus-PWM
12.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping
12.6.4 Raumzeiger-PWM
12.6.5 Definition von Raumzeigern
12.6.6 Raumzeiger-PWM
12.6.7 Amplitudenlimit des Statorraumzeigers
12.6.8 Simulation und Hardware-Prototyping
12.6.9 Übermodulation und Rechtecksignal-Betriebsmodus [5]
12.7 Mehrstufige Schaltwandler
12.7.1 Wandler für bidirektionalen Leistungsfluss
12.7.2 Direktwandler
Literatur
13 Thyristorwandler
13.1 Einführung
13.2 Thyristoren
13.2.1 Einfache Thyristor-Gleichrichterschaltungen
13.3 Einphasige Thyristorwandler
13.3.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf
13.3.2 Einfluss der Serieninduktivität auf die Stromkommutierung
13.4 Dreiphasige Vollbrücken-Thyristorwandler
13.4.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf
13.4.2 Einfluss der Serieninduktivität
13.5 Stromübertragungssysteme
Literatur
14 Anwendungen der Leistungselektronik in der Netzversorgung
14.1 Einführung
14.2 Leistungsbauelemente und ihre Fähigkeiten
14.3 Kategorisierung von leistungselektronischen Systemen
14.3.1 Halbleiterschalter
14.3.2 Wandler als Schnittstelle zur Netzversorgung
14.3.2.1 Spannungsübertragung
14.3.2.2 Stromübertragung
14.4 Dezentrale Energieerzeugung
14.4.1 Windelektrische Systeme
14.4.1.1 Induktionsgeneratoren, direkt am Netz
14.4.1.2 Doppeltgespeiste Schleifringläufer-Asynchrongeneratoren
14.4.1.3 Einspeisung über eine Leistungselektronik
14.4.2 Photovoltaiksysteme
14.4.3 Brennstoffzellen
14.4.4 Mikroturbinen
14.4.5 Energiespeichersysteme
14.5 Elektronische Lasten
14.6 Lösungen für die Netzqualität
14.6.1 Doppelte Zuleitungen
14.6.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen
14.6.3 Dynamische Spannungsregler
14.7 Anwendungen in Übertragungs- und Verteilungsnetzen
14.7.1 Hochspannungs-Gleichstromübertragung
14.7.1.1 Thyristorbasierte Stromübertragung
14.7.1.2 HVDC-Übertragungssystem mit spannungsgesteuerten Wandlern auf IGBT-Basis
14.7.2 Flexible Wechselstrom-Übertragungssysteme [3]
14.7.2.1 Parallelgeschaltete Bauelemente zur Spannungsregelung
14.7.2.2 In Reihe geschaltete Bauelemente zur Steuerung der effektiven Serienreaktanz X
14.7.2.3 Statische Phasenwinkelsteuerung und vereinheitlichter Leistungsflussregler
Literatur
Index
End User License Agreement
Leistungselektronik
Cover
Titlebatt
1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie
Tabellenverzeichnis
Kapitel 1
Tab. 3.1 Auswahlkriterien für Wandlertopologien.
Tab. 3.2 Die Ausdrücke für νk und ik für die versch...
Tab. 5.1 Tolerierbare Oberwellen im Stromsignal Ih/Il.
Tab. 6.1 Parameter und Betriebswerte.
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