Leistungselektronik (eBook)

Eine Einführung

Ned Mohan, Siddharth Raju (Autoren)

eBook Download: EPUB

2025
628 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-85119-5 (ISBN)

Infos

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

Dr. Ned Mohan lehrte seit 1975 an die University of Minnesota, wo er Oscar A. Schott Professor für Leistungselektroniksysteme und Morse-Alumni Distinguished Professor war. Er war ein Fellow des IEEE und Mitglied der National Academy of Engineering. Er war außerdem Regents Professor an der Universität von Minnesota und hat sechs Lehrbücher bei Wiley veröffentlicht.

Dr. Siddharth Raju ist Assistant Professor an der University of Minnesota, USA. Er ist der Gründer von Sciamble Corp, einem Startup-Unternehmen, das sich auf schnelle Echtzeit-Prototyping-Lösungen spezialisiert hat.

Textauszug

1. Cover
2. Titelblatt
3. Urheberrechte
4. 1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie
   1. 1.1 Einführung in die Leistungselektronik
   2. 1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik
      1. 1.2.1 Stromversorgungen in der Informationstechnologie
      2. 1.2.2 Robotik und flexible Produktion
   3. 1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien
      1. 1.3.1 Energiesparmaßnahmen
         1. 1.3.1.1 Elektromotorisch betriebene Systeme
         2. 1.3.1.2 Beleuchtung mit LEDs
         3. 1.3.1.3 Transport und Verkehr
      2. 1.3.2 Erneuerbare Energien
      3. 1.3.3 Leistungselektronik in der Energieversorgung
      4. 1.3.4 Raumfahrt- und militärische Anwendungen
   4. 1.4 Effizienz und Leistungsdichte
   5. 1.5 Struktur von Wandlersystemen
      1. 1.5.1 Spannungszwischenkreise
      2. 1.5.2 Stromzwischenkreise
      3. 1.5.3 Direktwandler
   6. 1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis
   7. Gruppe 1
   8. Gruppe 2
      1. 1.6.1 Schaltwandler: Der Leistungsschalter als Grundbaustein
      2. 1.6.2 Pulsweitenmodulation (PWM)
      3. 1.6.3 Der Leistungsschalter im DC-DC-Abwärtswandler: Ein Beispiel
         1. 1.6.3.1 Realisierung des bistabilen Schalters in einem Abwärtswandler
   9. 1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen
   10. 1.8 Simulation und Hardware-Prototyping
   11. Literatur
5. 2 Design des Leistungsschalters
   1. 2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden [1]
   2. 2.2 Wahl der Leistungstransistoren [2–5]
      1. 2.2.1 MOSFETs
      2. 2.2.2 IGBTs
      3. 2.2.3 Integrierte und intelligente Leistungsmodule [2–4]
      4. 2.2.4 Kosten von MOSFETs und IGBTs
   3. 2.3 Wahl der Leistungsdioden
   4. 2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern
      1. 2.4.1 Einschaltverhalten
      2. 2.4.2 Ausschaltverhalten
      3. 2.4.3 Leistungsverluste im MOSFET
         1. 2.4.3.1 Leitverluste
         2. 2.4.3.2 Schaltverluste
      4. 2.4.4 Integrierte Gate-Treiber mit eingebauter Schutzschaltung [2]‌
   5. 2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden
   6. 2.6 Dimensionierungskriterien
      1. 2.6.1 Schaltfrequenz
      2. 2.6.2 Auswahl von Transistoren und Dioden
      3. 2.6.3 Magnetische Komponenten
      4. 2.6.4 Kondensatoren [7]
      5. 2.6.5 Thermisches Design [8–9]
      6. 2.6.6 Designkompromisse
   7. 2.7 Der PWM-IC
   8. 2.8 Hardware-Prototyping
   9. Literatur
6. 3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design
   1. 3.1 DC-DC-Wandler [1]
   2. 3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb
   3. 3.3 Vereinfachende Annahmen
   4. 3.4 Allgemeines Betriebsprinzip
   5. 3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb
      1. 3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
   6. 3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb
      1. 3.6.1 Simulation und Hardware-Prototyping
   7. 3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb
      1. 3.7.1 Simulation und Hardware-Prototyping
      2. 3.7.2 Andere Inverswandler-Topologien
         1. 3.7.2.1 SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductor Converters)
         2. 3.7.2.2 Ćuk-Wandler
   8. 3.8 Topologieauswahl [5]
   9. 3.9 Worst-Case-Design
   10. 3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen [6]
       1. 3.10.1 Simulation und Hardware-Prototyping
   11. 3.11 Verschachtelte Wandler
   12. 3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM
   13. 3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM
   14. 3.14 Bidirektionale Leistungsschalter
   15. 3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM)
       1. 3.15.1 Kritischer Lastzustand an der Grenze zwischen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Leitung
       2. 3.15.2 Abwärtswandler im stationären DCM-Zustand
       3. 3.15.3 Simulation und Hardware-Prototyping
          1. 3.15.3.1 Klingeln der Spannung am Leistungsschalter
       4. 3.15.4 Aufwärtswandler im stationären DCM-Zustand
       5. 3.15.5 Simulation und Hardware-Prototyping
       6. 3.15.6 Inverswandler im stationären DCM-Betrieb
       7. 3.15.7 Simulation und Hardware-Prototyping
       8. 3.15.8 Mittelwertdarstellung im CCM und DCM für die dynamische Analyse
   16. Literatur
7. 4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen
   1. 4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung
   2. 4.2 Regelungstheorie – Ein Überblick
      1. 4.2.1 Schleifenübertragungsfunktion GL(s)
      2. 4.2.2 Die Transitfrequenz fc
      3. 4.2.3 Phasen- und Verstärkungsreserve
   3. 4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion
      1. 4.3.1 Linearisierung des Pulsweitenmodulators
      2. 4.3.2 Linearisierung der Leistungsstufe von DC-DC-Wandlern im CCM
         1. 4.3.2.1 Verwendung von Computersimulation zur Bestimmung von
   4. 4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung
      1. 4.4.1 Das Schritt-für-Schritt-Verfahren
      2. 4.4.2 Simulation und Hardware-Prototyping
   5. 4.5 Spitzenstromregelung
      1. 4.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
   6. 4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM
   7. Literatur
8. 5 Netzgleichrichter mit Dioden
   1. 5.1 Einführung
   2. 5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor
      1. 5.2.1 Effektivwert von Strömen mit Oberwellen und der Klirrfaktor (THD) [1]‌
         1. 5.2.1.1 Bestimmung von harmonischen Komponenten durch Fourier-Analyse
      2. 5.2.2 Verschiebungsfaktor (DPF) und Leistungsfaktor (PF)
      3. 5.2.3 Negative Auswirkungen des Klirrfaktors und eines schlechten Leistungsfaktors
         1. 5.2.3.1 Richtlinien zur Aufrechterhaltung der Stromqualität
   3. 5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz
   4. 5.4 Dioden-Brückengleichrichter
      1. 5.4.1 Einphasen-Brückengleichrichter
         1. 5.4.1.1 Zwischenkreis-Kondensator zur Reduktion der Welligkeit auf der Gleichspannungsseite
         2. 5.4.1.2 Auswirkungen von Ls und Cd auf die Signalformen und den Klirrfaktor
      2. 5.4.2 Simulation mit LTspice
      3. 5.4.3 Dreiphasen-Brückengleichrichter
         1. 5.4.3.1 Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators
      4. 5.4.4 Simulation mit LTspice
      5. 5.4.5 Vergleich von Einphasen- und Dreiphasengleichrichtern
   5. 5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen
   6. 5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss
   7. Literatur
9. 6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers
   1. 6.1 Einführung
   2. 6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen
   3. 6.3 Regelung von PFCs
   4. 6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell
      1. 6.4.1 Übertragungsfunktion des PWM-Reglers
      2. 6.4.2 Übertragungsfunktion des Aufwärtswandlers in der Leistungsstufe
      3. 6.4.3 Entwurf der Übertragungsfunktion des Stromreglers
   5. 6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife
   6. 6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems
      1. 6.6.1 Entwurf der Stromregelschleife
      2. 6.6.2 Entwurf der Spannungsregelschleife
      3. 6.6.3 Simulationsergebnisse
   7. 6.7 Durchleitung der Eingangsspannung
   8. 6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs
   9. Literatur
10. 7 Magnetische Kreise
    1. 7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss
    2. 7.2 Induktivität
       1. 7.2.1 Energiespeicherung in Magnetfeldern
    3. 7.3 Faradays Gesetz
    4. 7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten
       1. 7.4.1 Gegenseitige Induktivitäten
    5. 7.5 Transformatoren
       1. 7.5.1 Faradays Gesetz
       2. 7.5.2 Ampersches Gesetz
       3. 7.5.3 Transformator-Ersatzschaltbild
    6. Literatur
11. 8 DC-Schaltnetzteile
    1. 8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen
    2. 8.2 Bedarf an elektrischer Isolation
    3. 8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern
    4. 8.4 Sperrwandler
       1. 8.4.1 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM ohne...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 12.8.2025
• Übersetzer: Jürgen Smoliner
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: Diodengleichrichter • Elektrotechnik • Gleichspannungswandler • Gleichstrom-Schaltwandler • Leistungselektronik • Leistungsfaktorkorrektur • Leistungshalbleiter • Rückkopplungsregler • Rückkopplungssteuerung • Schaltnetzteile • Schaltverhalten
• ISBN-10: 3-527-85119-4 / 3527851194
• ISBN-13: 978-3-527-85119-5 / 9783527851195