Leistungselektronik

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.

• Hardwareimplementierung xvVorwort des Übersetzers xviiSpezieller Dank xixVorwort xxiDank xxiiiÜber die begleitende Website xxvDer Übersetzer xxvii1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie 11.1 Einführung in die Leistungselektronik 11.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik 21.2.1 Stromversorgungen in der Informationstechnologie 21.2.2 Robotik und flexible Produktion 31.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien 41.3.1 Energiesparmaßnahmen 41.3.1.1 Elektromotorisch betriebene Systeme 51.3.1.2 Beleuchtung mit LEDs 51.3.1.3 Transport und Verkehr 51.3.2 Erneuerbare Energien 61.3.3 Leistungselektronik in der Energieversorgung 71.3.4 Raumfahrt- und militärische Anwendungen 81.4 Effizienz und Leistungsdichte 81.5 Struktur von Wandlersystemen 91.5.1 Spannungszwischenkreise 101.5.2 Stromzwischenkreise 101.5.3 Direktwandler 111.6 Der DC-Spannungszwischenkreis 121.6.1 Schaltwandler: Der Leistungsschalter als Grundbaustein 131.6.2 Pulsweitenmodulation (PWM) 141.6.3 Der Leistungsschalter im DC-DC-Abwärtswandler: Ein Beispiel 151.6.3.1 Realisierung des bistabilen Schalters in einem Abwärtswandler 161.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen 171.8 Simulation und Hardware-Prototyping 18literatur 19Übungsbeispiele 192 Design des Leistungsschalters 252.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden‌ 252.2 Wahl der Leistungstransistoren 262.2.1 MOSFETs 262.2.2 IGBTs 282.2.3 Integrierte und intelligente Leistungsmodule 282.2.4 Kosten von MOSFETs und IGBTs 292.3 Wahl der Leistungsdioden 292.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern 302.4.1 Einschaltverhalten 312.4.2 Ausschaltverhalten 332.4.3 Leistungsverluste im MOSFET 342.4.3.1 Leitverluste 342.4.3.2 Schaltverluste 342.4.4 Integrierte Gate-Treiber mit eingebauter Schutzschaltung 352.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden 362.6 Dimensionierungskriterien 372.6.1 Schaltfrequenz 372.6.2 Auswahl von Transistoren und Dioden 382.6.3 Magnetische Komponenten 382.6.4 Kondensatoren‌ 382.6.5 Thermisches Design 392.6.6 Designkompromisse 402.7 Der PWM-IC 402.8 Hardware-Prototyping 41literatur 42Übungsbeispiele 433 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design 473.1 DC-DC-Wandler 473.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb 483.3 Vereinfachende Annahmen 513.4 Allgemeines Betriebsprinzip 523.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb 523.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 563.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb 573.6.1 Simulation und Hardware-Prototyping 623.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb 643.7.1 Simulation und Hardware-Prototyping 683.7.2 Andere Inverswandler-Topologien 703.7.2.1 SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductor Converters) 703.7.2.2 Ćuk-Wandler 713.8 Topologieauswahl‌ 723.9 Worst-Case-Design 733.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen‌ 733.10.1 Simulation und Hardware-Prototyping 743.11 Verschachtelte Wandler 783.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM 783.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM 793.14 Bidirektionale Leistungsschalter 823.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM) 833.15.1 Kritischer Lastzustand an der Grenze zwischen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Leitung 843.15.2 Abwärtswandler im stationären DCM-Zustand 853.15.3 Simulation und Hardware-Prototyping 863.15.3.1 Klingeln der Spannung am Leistungsschalter 873.15.4 Aufwärtswandler im stationären DCM-Zustand 883.15.5 Simulation und Hardware-Prototyping 893.15.6 Inverswandler im stationären DCM-Betrieb 913.15.7 Simulation und Hardware-Prototyping 923.15.8 Mittelwertdarstellung im CCM und DCM für die dynamische Analyse 93literatur 94Übungsbeispiele 95Anhang 3A: Mittelwertmodell für den diskontinuierlichen Strommodus (dcm) 1024 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen 1074.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung 1074.2 Regelungstheorie – Ein Überblick 1084.2.1 Schleifenübertragungsfunktion G l (s) 1094.2.2 Die Transitfrequenz f c 1104.2.3 Phasen- und Verstärkungsreserve 1104.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion 1114.3.1 Linearisierung des Pulsweitenmodulators 1114.3.2 Linearisierung der Leistungsstufe von DC-DC-Wandlern im CCM 1124.3.2.1 Verwendung Von Computersimulation Zur Bestimmung Von V O ̃ /dd ̃ 1154.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung 1174.4.1 Das Schritt-für-Schritt-Verfahren 1194.4.2 Simulation und Hardware-Prototyping 1214.5 Spitzenstromregelung 1264.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 1304.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM 134Literatur 135Übungsbeispiele 135Anhang 4.A: Bode-Diagramme von Übertragungsfunktionen mit Polen und Nullstellen 137Anhang 4.B: Übertragungsfunktionen im kontinuierlichen Strommodus (ccm) 140Anhang 4.C: Herleitung der Parameter für die Übertragungsfunktionen der Regler 1465 Netzgleichrichter mit Dioden 1515.1 Einführung 1515.2 Verzerrung und Leistungsfaktor 1525.2.1 Effektivwert von Strömen mit Oberwellen und der Klirrfaktor (thd) 1525.2.1.1 Bestimmung von harmonischen Komponenten durch Fourier- Analyse 1545.2.2 Verschiebungsfaktor (DPF) und Leistungsfaktor (PF) 1565.2.3 Negative Auswirkungen des Klirrfaktors und eines schlechten Leistungsfaktors 1585.2.3.1 Richtlinien zur Aufrechterhaltung der Stromqualität 1585.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz 1605.4 Dioden-Brückengleichrichter 1605.4.1 Einphasen-Brückengleichrichter 1615.4.1.1 Zwischenkreis-Kondensator zur Reduktion der Welligkeit auf der Gleichspannungsseite 1625.4.1.2 Auswirkungen von l s und c d auf die Signalformen und den Klirrfaktor 1645.4.2 Simulation mit LTspice 1645.4.3 Dreiphasen-Brückengleichrichter 1655.4.3.1 Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators 1665.4.4 Simulation mit LTspice 1685.4.5 Vergleich von Einphasen- und Dreiphasengleichrichtern 1695.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen 1695.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss 169literatur 170Übungsbeispiele 1706 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers 1736.1 Einführung 1736.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen 1736.3 Regelung von PFCs 1776.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell 1786.4.1 Übertragungsfunktion des PWM-Reglers 1796.4.2 Übertragungsfunktion des Aufwärtswandlers in der Leistungsstufe 1796.4.3 Entwurf der Übertragungsfunktion des Stromreglers 1806.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife 1806.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems 1826.6.1 Entwurf der Stromregelschleife 1826.6.2 Entwurf der Spannungsregelschleife 1826.6.3 Simulationsergebnisse 1836.7 Durchleitung der Eingangsspannung 1846.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs 184literatur 185Übungsbeispiele 185Anhang 6.A 185Anhang 6.B 1867 Magnetische Kreise 1897.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss 1897.2 Induktivität 1907.2.1 Energiespeicherung in Magnetfeldern 1917.3 Faradays Gesetz 1927.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten 1937.4.1 Gegenseitige Induktivitäten 1957.5 Transformatoren 1957.5.1 Faradays Gesetz 1957.5.2 Ampersches Gesetz 1967.5.3 Transformator Ersatzschaltbild 197literatur 198Übungsbeispiele 1988 DC-Schaltnetzteile 2018.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen 2018.2 Bedarf an elektrischer Isolation 2018.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern 2028.4 Sperrwandler 2028.4.1 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM ohne Snubber 2058.4.2 RCD-Snubber 2078.4.2.1 Stationärer Betrieb des RCD-Snubber 2088.4.2.2 Design eines RCD-Snubbers 2108.4.3 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM mit Snubberschaltung 2128.4.4 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im DCM mit Snubberschaltung 2148.5 Flusswandler 2168.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 2188.5.2 Flusswandler mit zwei Schaltern 2218.6 Vollbrückenwandler 2228.6.1 PWM-Steuerung 2238.6.2 PSM-Steuerung 2238.6.2.1 Intervall DT s mit eingeschalteten Transistoren T 1 , T 2 2248.6.2.2 Intervall (1/2 – D)T s : Alle Transistoren sind ausgeschaltet 2248.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping 2268.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler 2288.8 Praktische Überlegungen 229literatur 229Übungsbeispiele 2299 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren 2339.1 Einführung 2339.2 Grundlagen des magnetischen Designs 2339.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren 2349.4 Flächenprodukt-Methode 2349.4.1 Kernfensterfläche 2349.4.2 Kernquerschnittsfläche 2359.4.3 Kernflächenprodukt 2369.4.4 Entwurfsverfahren basierend auf dem Flächenprodukt A p 2379.5 Entwurfsbeispiel für eine Spule 2389.6 Entwurfsbeispiel eines Transformators für einen Vorwärtswandler 2399.7 Thermische Überlegungen 240literatur 240Übungsbeispiele 24010 Soft switching in DC-DC-Wandlern und Halbbrücken- Resonanzwandlern 24310.1 Einführung 24310.2 Harte Schaltvorgänge in Leistungsschaltern 24310.3 Weiche Schaltvorgänge in Leistungsschaltern 24510.3.1 Zero‐Voltage Switching (ZVS) 24510.3.2 Synchroner Abwärtswandler mit ZVS 24610.3.3 Phasenmodulierte DC-DC-Wandler 24810.4 Halbbrücken-Resonanzwandler 249literatur 250Übungsbeispiele 25011 Schaltnetzteile in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiesystemen 25311.1 Einführung 25311.2 Elektrische Antriebe 25311.2.1 Gleichstrommotoren 25411.2.1.1 Anforderungen von Gleichstrommaschinen an die Leistungsaufbereitungseinheit 25711.2.2 AC-Antriebe mit Permanentmagneten 25711.2.2.1 Anforderungen von PMAC-Maschinen an die PPU 26011.2.3 Induktionsmaschinen 26111.2.3.1 Anforderungen, die von Induktionsmaschinen an die PPU gestellt werden 26511.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) 26611.4 Schaltwandler in Versorgungsnetzen 266literatur 268Übungsbeispiele 26812 Synthese von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen für Motoren, USV- und Energiesysteme 27112.1 Einführung 27112.2 Bidirektionale Leistungsschalter 27212.2.1 Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem bidirektionalen Schaltermodul 27312.3 Wandler für Gleichstrommotoren 27612.3.1 Schaltspannungssignale in einem Wandler für Gleichstromantriebe 27812.4 Synthese von Niederfrequenz-Wechselstrom 28112.5 Einphasige Wechselrichter 28212.5.1 Schaltsignalformen in einem einphasigen Wechselrichter 28412.5.2 Simulation und Hardware-Prototyping 28512.6 Dreiphasige Wechselrichter 28712.6.1 Sinus‐PWM 28912.6.2 Schaltsignalformen in einem dreiphasigen Wechselrichter mit Sinus-PWM 29012.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping 29112.6.4 Raumzeiger-PWM 29312.6.5 Definition von Raumzeigern 29412.6.6 Raumzeiger‐PWM 29612.6.7 Amplitudenlimit des Statorraumzeigers 29812.6.8 Simulation und Hardware-Prototyping 29912.6.9 Übermodulation und Rechtecksignal-Betriebsmodus‌ 30112.7 Mehrstufige Schaltwandler 30312.7.1 Wandler für bidirektionalen Leistungsfluss 30412.7.2 Direktwandler 305literatur 306Übungsbeispiele 30713 Thyristorwandler 31113.1 Einführung 31113.2 Thyristoren 31113.2.1 Einfache Thyristor-Gleichrichterschaltungen 31213.3 Einphasige Thyristorwandler 31313.3.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf 31613.3.2 Einfluss der Serieninduktivität auf die Stromkommutierung 31613.4 Dreiphasige Vollbrücken-Thyristorwandler 31813.4.1 Oberwellen im Strom und Blindleistungsbedarf 32013.4.2 Einfluss der Serieninduktivität 32113.5 Stromübertragungssysteme 324literatur 325Übungsbeispiele 32514 Anwendungen der Leistungselektronik in der Netzversorgung 32714.1 Einführung 32714.2 Leistungsbauelemente und ihre Fähigkeiten 32814.3 Kategorisierung von leistungselektronischen Systemen 32914.3.1 Halbleiterschalter 32914.3.2 Wandler als Schnittstelle zur Netzversorgung 32914.3.2.1 Spannungsübertragung 32914.3.2.2 Stromübertragung 33014.4 Dezentrale Energieerzeugung 33014.4.1 Windelektrische Systeme 33114.4.1.1 Induktionsgeneratoren, direkt am Netz 33214.4.1.2 Doppeltgespeiste Schleifringläufer-Asynchrongeneratoren 33214.4.1.3 Einspeisung über eine Leistungselektronik 33214.4.2 Photovoltaiksysteme 33314.4.3 Brennstoffzellen 33414.4.4 Mikroturbinen 33414.4.5 Energiespeichersysteme 33514.5 Elektronische Lasten 33614.6 Lösungen für die Netzqualität 33614.6.1 Doppelte Zuleitungen 33614.6.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen 33714.6.3 Dynamische Spannungsregler 33714.7 Anwendungen in Übertragungs- und Verteilungsnetzen 33714.7.1 Hochspannungs-Gleichstromübertragung 33814.7.1.1 Thyristorbasierte Stromübertragung 33814.7.1.2 HVDC-Übertragungssystem mit spannungsgesteuerten Wandlern auf IGBT-Basis 33914.7.2 Flexible Wechselstrom-Übertragungssysteme‌ 33914.7.2.1 Parallelgeschaltete Bauelemente zur Spannungsregelung 34014.7.2.2 In Reihe geschaltete Bauelemente zur Steuerung der effektiven Serienreaktanz X 34014.7.2.3 Statische Phasenwinkelsteuerung und vereinheitlichter Leistungsflussregler 341literatur 342Übungsbeispiele 342Index 345