Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

LeistungselektronikGrundlagen und

StandardanwendungenDC/DC-Wandler und Wechselrichter

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

Vollbild

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 1

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Gliederung

1 Klassische Netzteilschaltungen

2 Schaltnetzteile

3 Vierquadrantensteller

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 2

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Gliederung

1 Klassische Netzteilschaltungen

2 Schaltnetzteile

3 Vierquadrantensteller

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 2

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 3

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 3

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 3

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 3

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 4

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Wechselspannung

Gleichrichter Siebung Linearregler Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Wechselspannung

Gleichrichter Siebung Linearregler Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Wechselspannung Gleichrichter

Siebung Linearregler Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke

‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Wechselspannung Gleichrichter Siebung

Linearregler Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung

‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Wechselspannung Gleichrichter Siebung Linearregler

Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt

‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Wechselspannung Gleichrichter Siebung Linearregler Verbraucher

‚ Trafo zur Anpassung der Wechselspannung und für galvanischeTrennung

‚ Gleichrichter einphasige Wechselspannung: B2-Brücke‚ Spannungswelligkeit senken: Kondensator zur Siebung‚ Wellige Gleichspannung: Mit Linearregler auf kleineren Wert eingeregelt‚ Konstante Ausgangsspannung zum Verbraucher geführt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 5

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 6

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Linearregler‚ Stellen Ausgangsspannung mittels regelbaren Widerstands (Transistor)

ein‚ Widerstand durch Regler so eingestellt, dass an Ausgangsklemmen

konstante Ausgangsspannung (unabhängig von Last)‚ Eingangsspannung eines Linearreglers muss immer höher sein als seine

Ausgangsspannung

LängsreglerStellglied in Reihe zur Last

QuerreglerStellglied parallel zur Last

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 7

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Linearregler‚ Stellen Ausgangsspannung mittels regelbaren Widerstands (Transistor)

ein‚ Widerstand durch Regler so eingestellt, dass an Ausgangsklemmen

konstante Ausgangsspannung (unabhängig von Last)‚ Eingangsspannung eines Linearreglers muss immer höher sein als seine

Ausgangsspannung

LängsreglerStellglied in Reihe zur Last

QuerreglerStellglied parallel zur Last

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 7

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Linearregler‚ Stellen Ausgangsspannung mittels regelbaren Widerstands (Transistor)

ein‚ Widerstand durch Regler so eingestellt, dass an Ausgangsklemmen

konstante Ausgangsspannung (unabhängig von Last)‚ Eingangsspannung eines Linearreglers muss immer höher sein als seine

Ausgangsspannung

LängsreglerStellglied in Reihe zur Last

QuerreglerStellglied parallel zur Last

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 7

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Längsregler

U0

RV

RL UA

i

Kirchhoff-Spannungsregel:

U0 ´ UA ´RV ¨ i “ 0

Somit:UA “ U0 ´RV ¨ i

Strom:u “ U0

RV `RLAusgangsspannung UA:

UA “ U0 ¨ˆ

1´ RV

RV `RL

˙

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 8

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Längsregler

U0

RV

RL UA

i

Kirchhoff-Spannungsregel:

U0 ´ UA ´RV ¨ i “ 0

Somit:UA “ U0 ´RV ¨ i

Strom:u “ U0

RV `RLAusgangsspannung UA:

UA “ U0 ¨ˆ

1´ RV

RV `RL

˙

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 8

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Längsregler

U0

RV

RL UA

i

Kirchhoff-Spannungsregel:

U0 ´ UA ´RV ¨ i “ 0

Somit:UA “ U0 ´RV ¨ i

Strom:u “ U0

RV `RLAusgangsspannung UA:

UA “ U0 ¨ˆ

1´ RV

RV `RL

˙

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 8

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Längsregler

U0

RV

RL UA

i

Kirchhoff-Spannungsregel:

U0 ´ UA ´RV ¨ i “ 0

Somit:UA “ U0 ´RV ¨ i

Strom:u “ U0

RV `RL

Ausgangsspannung UA:

UA “ U0 ¨ˆ

1´ RV

RV `RL

˙

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 8

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Längsregler

U0

RV

RL UA

i

Kirchhoff-Spannungsregel:

U0 ´ UA ´RV ¨ i “ 0

Somit:UA “ U0 ´RV ¨ i

Strom:u “ U0

RV `RLAusgangsspannung UA:

UA “ U0 ¨ˆ

1´ RV

RV `RL

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 8

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Querregler

U0

RV

RR RL UA

iges iA

iR

RV nötig, sonst Zerstörung von RR

Kirchhoff-Gesetze: iges “ iA ` iR U0 “ RV ¨ iges ` UA

Bauteilgleichungen:

UA “ U0 ´RV ¨ iges “ U0 ´RV ¨ piR ` iAq ““ U0 ´RV

ˆ

UA

RR´ UA

RL

˙

“ U0 ´RVUA ¨ˆ

1

RR´ 1

RL

˙

Somit:

UA ¨ˆ

1`RV ¨ˆ

1

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RL

˙˙

“ U0

Ausgangsspannung UA:

UA “ U0

1`RV ¨´

1RR` 1

RL

¯

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 9

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Querregler

U0

RV

RR RL UA

iges iA

iR

RV nötig, sonst Zerstörung von RR

Kirchhoff-Gesetze: iges “ iA ` iR U0 “ RV ¨ iges ` UA

Bauteilgleichungen:

UA “ U0 ´RV ¨ iges “ U0 ´RV ¨ piR ` iAq ““ U0 ´RV

ˆ

UA

RR´ UA

RL

˙

“ U0 ´RVUA ¨ˆ

1

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Ausgangsspannung UA:

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1RR` 1

RL

¯

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 9

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Querregler

U0

RV

RR RL UA

iges iA

iR

RV nötig, sonst Zerstörung von RR

Kirchhoff-Gesetze: iges “ iA ` iR U0 “ RV ¨ iges ` UA

Bauteilgleichungen:

UA “ U0 ´RV ¨ iges “ U0 ´RV ¨ piR ` iAq ““ U0 ´RV

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UA

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“ U0 ´RVUA ¨ˆ

1

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Ausgangsspannung UA:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 9

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Querregler

U0

RV

RR RL UA

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iR

RV nötig, sonst Zerstörung von RR

Kirchhoff-Gesetze: iges “ iA ` iR U0 “ RV ¨ iges ` UA

Bauteilgleichungen:

UA “ U0 ´RV ¨ iges “ U0 ´RV ¨ piR ` iAq ““ U0 ´RV

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UA

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Somit:

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Ausgangsspannung UA:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 9

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Querregler

U0

RV

RR RL UA

iges iA

iR

RV nötig, sonst Zerstörung von RR

Kirchhoff-Gesetze: iges “ iA ` iR U0 “ RV ¨ iges ` UA

Bauteilgleichungen:

UA “ U0 ´RV ¨ iges “ U0 ´RV ¨ piR ` iAq ““ U0 ´RV

ˆ

UA

RR´ UA

RL

˙

“ U0 ´RVUA ¨ˆ

1

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RL

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Somit:

UA ¨ˆ

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1

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Ausgangsspannung UA:

UA “ U0

1`RV ¨´

1RR` 1

RL

¯

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 9

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Anwendungsbeispiel für Querregler

U0

RV

UZ RL UA

Spannungsstabilisierung mittels Zenerdiode

‚ Zenerdiode in Sperrichtung gepolt‚ Spannungsabfall UZ an Zenerdiode konstant‚ Vorwiderstand RV nötig: Sonst thermische Überlastung der Zenerdiode!‚ Schaltung nur innerhalb der Leistungs- und Stromgrenzen betreibbar

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 10

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Anwendungsbeispiel für Querregler

U0

RV

UZ RL UA

Spannungsstabilisierung mittels Zenerdiode

‚ Zenerdiode in Sperrichtung gepolt

‚ Spannungsabfall UZ an Zenerdiode konstant‚ Vorwiderstand RV nötig: Sonst thermische Überlastung der Zenerdiode!‚ Schaltung nur innerhalb der Leistungs- und Stromgrenzen betreibbar

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 10

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Anwendungsbeispiel für Querregler

U0

RV

UZ RL UA

Spannungsstabilisierung mittels Zenerdiode

‚ Zenerdiode in Sperrichtung gepolt‚ Spannungsabfall UZ an Zenerdiode konstant

‚ Vorwiderstand RV nötig: Sonst thermische Überlastung der Zenerdiode!‚ Schaltung nur innerhalb der Leistungs- und Stromgrenzen betreibbar

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 10

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Anwendungsbeispiel für Querregler

U0

RV

UZ RL UA

Spannungsstabilisierung mittels Zenerdiode

‚ Zenerdiode in Sperrichtung gepolt‚ Spannungsabfall UZ an Zenerdiode konstant‚ Vorwiderstand RV nötig: Sonst thermische Überlastung der Zenerdiode!

‚ Schaltung nur innerhalb der Leistungs- und Stromgrenzen betreibbar

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 10

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Anwendungsbeispiel für Querregler

U0

RV

UZ RL UA

Spannungsstabilisierung mittels Zenerdiode

‚ Zenerdiode in Sperrichtung gepolt‚ Spannungsabfall UZ an Zenerdiode konstant‚ Vorwiderstand RV nötig: Sonst thermische Überlastung der Zenerdiode!‚ Schaltung nur innerhalb der Leistungs- und Stromgrenzen betreibbar

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 10

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 11

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U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Vorwiderstand RV: Strombegrenzung der ZenerdiodeZenerdiode verträgt nur geringe Ströme!

‚ Kollektorwiderstand RC:Schutz des Transistors im Falle eines Kurzschlusses (RC « 10 Ω)Allerdings lässt dadurch die Stabilisierung nach!

‚ Emitterwiderstand RE: Einstellung des Arbeitspunktes (RE « 10 kΩ)‚ Grundschaltung: Kollektorschaltung

˝ Basis: Eingang˝ Emitter: Ausgang˝ Kollektor: Weder Ein- noch Ausgang

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

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U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Vorwiderstand RV: Strombegrenzung der ZenerdiodeZenerdiode verträgt nur geringe Ströme!

‚ Kollektorwiderstand RC:Schutz des Transistors im Falle eines Kurzschlusses (RC « 10 Ω)Allerdings lässt dadurch die Stabilisierung nach!

‚ Emitterwiderstand RE: Einstellung des Arbeitspunktes (RE « 10 kΩ)‚ Grundschaltung: Kollektorschaltung

˝ Basis: Eingang˝ Emitter: Ausgang˝ Kollektor: Weder Ein- noch Ausgang

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Vorwiderstand RV: Strombegrenzung der ZenerdiodeZenerdiode verträgt nur geringe Ströme!

‚ Kollektorwiderstand RC:Schutz des Transistors im Falle eines Kurzschlusses (RC « 10 Ω)Allerdings lässt dadurch die Stabilisierung nach!

‚ Emitterwiderstand RE: Einstellung des Arbeitspunktes (RE « 10 kΩ)

‚ Grundschaltung: Kollektorschaltung˝ Basis: Eingang˝ Emitter: Ausgang˝ Kollektor: Weder Ein- noch Ausgang

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Vorwiderstand RV: Strombegrenzung der ZenerdiodeZenerdiode verträgt nur geringe Ströme!

‚ Kollektorwiderstand RC:Schutz des Transistors im Falle eines Kurzschlusses (RC « 10 Ω)Allerdings lässt dadurch die Stabilisierung nach!

‚ Emitterwiderstand RE: Einstellung des Arbeitspunktes (RE « 10 kΩ)‚ Grundschaltung: Kollektorschaltung

˝ Basis: Eingang˝ Emitter: Ausgang˝ Kollektor: Weder Ein- noch Ausgang

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Funktionsweise der Schaltung:‚ Annahme: RL als Lastwiderstand, Schaltung in stationärem Zustand

‚ Weitere Annahme: RL wird kleiner‚ Bipolartransistor ist stromgesteuert (Basisstrom steuert Emitterstrom):

˝ Basisstrom bleibt zunächst konstant˝ Daher: Emitterstrom bleibt zunächst konstant˝ Ausgangsspannung UA sinkt (U “ R ¨ I)

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

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U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Funktionsweise der Schaltung:‚ Annahme: RL als Lastwiderstand, Schaltung in stationärem Zustand‚ Weitere Annahme: RL wird kleiner

‚ Bipolartransistor ist stromgesteuert (Basisstrom steuert Emitterstrom):˝ Basisstrom bleibt zunächst konstant˝ Daher: Emitterstrom bleibt zunächst konstant˝ Ausgangsspannung UA sinkt (U “ R ¨ I)

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Funktionsweise der Schaltung:‚ Annahme: RL als Lastwiderstand, Schaltung in stationärem Zustand‚ Weitere Annahme: RL wird kleiner‚ Bipolartransistor ist stromgesteuert (Basisstrom steuert Emitterstrom):

˝ Basisstrom bleibt zunächst konstant˝ Daher: Emitterstrom bleibt zunächst konstant˝ Ausgangsspannung UA sinkt (U “ R ¨ I)

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Kirchhoff-Maschenregel: UA ´ UZ ` UBE “ 0

‚ Ausgangsspannung UA sinkt‚ Spannung UZ ist konstant ñ Nur UBE kann sich ändern!‚ Folge: UBE steigt!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Kirchhoff-Maschenregel: UA ´ UZ ` UBE “ 0

‚ Ausgangsspannung UA sinkt‚ Spannung UZ ist konstant ñ Nur UBE kann sich ändern!

‚ Folge: UBE steigt!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Kirchhoff-Maschenregel: UA ´ UZ ` UBE “ 0

‚ Ausgangsspannung UA sinkt‚ Spannung UZ ist konstant ñ Nur UBE kann sich ändern!‚ Folge: UBE steigt!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

UBE

iB

Eingangsverhalten eines Bipolartransistors

UBE steigt ñ iB steigt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

UBE

iB

Eingangsverhalten eines BipolartransistorsUBE steigt ñ iB steigt

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

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U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Emitterstrom: iE “ β ¨ iB

‚ Folge: iE steigt und damit: iL steigt‚ Weitere Folge: UA steigt solange, bis UBE wieder ursprünglichen Wert hat‚ Damit: Ausgangsspannung UA bleibt konstant

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Emitterstrom: iE “ β ¨ iB‚ Folge: iE steigt und damit: iL steigt

‚ Weitere Folge: UA steigt solange, bis UBE wieder ursprünglichen Wert hat‚ Damit: Ausgangsspannung UA bleibt konstant

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Emitterstrom: iE “ β ¨ iB‚ Folge: iE steigt und damit: iL steigt‚ Weitere Folge: UA steigt solange, bis UBE wieder ursprünglichen Wert hat

‚ Damit: Ausgangsspannung UA bleibt konstant

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

‚ Emitterstrom: iE “ β ¨ iB‚ Folge: iE steigt und damit: iL steigt‚ Weitere Folge: UA steigt solange, bis UBE wieder ursprünglichen Wert hat‚ Damit: Ausgangsspannung UA bleibt konstant

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Widerstand anstatt Zenerdiode nicht möglich:‚ U0 nicht zwangsweise konstantU0 ändert sichñ Spannungsabfall an Widerstand ändert sich!ñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Last ändert sichñ Basisstrom iB ändert sichñ Spannungsabfall am Widerstand ändert sichñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Zenerdiode als Spannungsreferenz auf jeden Fall nötig!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Widerstand anstatt Zenerdiode nicht möglich:‚ U0 nicht zwangsweise konstantU0 ändert sichñ Spannungsabfall an Widerstand ändert sich!ñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Last ändert sichñ Basisstrom iB ändert sichñ Spannungsabfall am Widerstand ändert sichñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Zenerdiode als Spannungsreferenz auf jeden Fall nötig!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

RV RC

REUZ Last

BC

E

UA

UBE

iB

iL

Längsregler mit Transistor

Widerstand anstatt Zenerdiode nicht möglich:‚ U0 nicht zwangsweise konstantU0 ändert sichñ Spannungsabfall an Widerstand ändert sich!ñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Last ändert sichñ Basisstrom iB ändert sichñ Spannungsabfall am Widerstand ändert sichñ Ausgangsspannung UA ändert sich

‚ Zenerdiode als Spannungsreferenz auf jeden Fall nötig!Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 12

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Klassische Netzteilschaltungen

a) Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau einer konventionellenNetzteilschaltung und erklären Sie grob die Funktion der einzelnen Blöcke!

b) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Längs- und einemQuerregler und zeichnen Sie die entsprechenden Schaltbilder!Hinweis zur Vereinfachung: Nehmen Sie für das Stellglied einenregelbaren Widerstand an.Geben Sie eine Beispielanwendung für einen Querregler an und zeichnenSie das entsprechende Schaltbild!

c) Zeichnen Sie das Schaltbild eines Längsreglers (mit Vor-, Kollektor- undEmitterwiderstand) und erklären Sie dessen Funktionsweise (auch die derWiderstände)!Welcher Transistorgrundschaltung entspricht dies und warum?Warum wird anstatt einer Zenerdiode kein Widerstand verwendet?

d) Welche Vor- und Nachteile haben konventionelle Netzteilschaltungen imVergleich zu Schaltnetzteilen (je zwei Vor- und Nachteile)?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 13

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Vorteile konventioneller Netzteilschaltungen‚ Ausgangsspannungs-Rippel weitaus geringer als bei Schaltnetzteilenñ Bessere Qualität der Ausgangsspannung

‚ Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) normalerweise nicht nötig

Nachteile konventioneller Netzteilschaltungen‚ Wirkungsgrad bei Linearreglern viel niedriger als bei Schaltnetzteilen‚ Weitaus größere Transformatoren und Kühlkörper nötig als bei

Schaltnetzteilenñ Größerer Platzbedarf, höhere Kosten

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 14

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Vorteile konventioneller Netzteilschaltungen‚ Ausgangsspannungs-Rippel weitaus geringer als bei Schaltnetzteilenñ Bessere Qualität der Ausgangsspannung

‚ Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) normalerweise nicht nötig

Nachteile konventioneller Netzteilschaltungen‚ Wirkungsgrad bei Linearreglern viel niedriger als bei Schaltnetzteilen‚ Weitaus größere Transformatoren und Kühlkörper nötig als bei

Schaltnetzteilenñ Größerer Platzbedarf, höhere Kosten

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 14

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Gliederung

1 Klassische Netzteilschaltungen

2 Schaltnetzteile

3 Vierquadrantensteller

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 14

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Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 15

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Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 15

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Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 15

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Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 16

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U0

S

R

U0

S

D

R

L

U0

S

D

LD

R

L

C

‚ Spannung durch Schalter S gestellt:S periodisch ein- und ausgeschaltet

‚ Reine R-Last:S periodisch ein- und ausschaltenñ U0 wird im Mittel herabgesetztMittlere Ausgangsspannung:UA “ U0 ¨ ton

ton`toff

‚ Ohmsch-induktive Last:Überspannung an Lñ Freilaufdiode D nötig

‚ Ohmsch-induktiv-kapazitive Last:Kondensator: Strom 9 Spannungñ Großer Strom-Peakñ Dämpfungsinduktivität LD

‚ Alle Schaltungen:Parasitäre L’s und C ’sñ D und LD immer sinnvollñ C zur Spannungsglättung!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 17

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U0

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U0

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D

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‚ Spannung durch Schalter S gestellt:S periodisch ein- und ausgeschaltet

‚ Reine R-Last:S periodisch ein- und ausschaltenñ U0 wird im Mittel herabgesetztMittlere Ausgangsspannung:UA “ U0 ¨ ton

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‚ Ohmsch-induktive Last:Überspannung an Lñ Freilaufdiode D nötig

‚ Ohmsch-induktiv-kapazitive Last:Kondensator: Strom 9 Spannungñ Großer Strom-Peakñ Dämpfungsinduktivität LD

‚ Alle Schaltungen:Parasitäre L’s und C ’sñ D und LD immer sinnvollñ C zur Spannungsglättung!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 17

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U0

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R

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U0

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‚ Spannung durch Schalter S gestellt:S periodisch ein- und ausgeschaltet

‚ Reine R-Last:S periodisch ein- und ausschaltenñ U0 wird im Mittel herabgesetztMittlere Ausgangsspannung:UA “ U0 ¨ ton

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‚ Ohmsch-induktive Last:Überspannung an Lñ Freilaufdiode D nötig

‚ Ohmsch-induktiv-kapazitive Last:Kondensator: Strom 9 Spannungñ Großer Strom-Peakñ Dämpfungsinduktivität LD

‚ Alle Schaltungen:Parasitäre L’s und C ’sñ D und LD immer sinnvollñ C zur Spannungsglättung!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 17

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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‚ Spannung durch Schalter S gestellt:S periodisch ein- und ausgeschaltet

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‚ Ohmsch-induktiv-kapazitive Last:Kondensator: Strom 9 Spannungñ Großer Strom-Peakñ Dämpfungsinduktivität LD

‚ Alle Schaltungen:Parasitäre L’s und C ’sñ D und LD immer sinnvollñ C zur Spannungsglättung!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 17

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U0

S

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U0

S

D

R

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U0

S

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R

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C

‚ Spannung durch Schalter S gestellt:S periodisch ein- und ausgeschaltet

‚ Reine R-Last:S periodisch ein- und ausschaltenñ U0 wird im Mittel herabgesetztMittlere Ausgangsspannung:UA “ U0 ¨ ton

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‚ Ohmsch-induktive Last:Überspannung an Lñ Freilaufdiode D nötig

‚ Ohmsch-induktiv-kapazitive Last:Kondensator: Strom 9 Spannungñ Großer Strom-Peakñ Dämpfungsinduktivität LD

‚ Alle Schaltungen:Parasitäre L’s und C ’sñ D und LD immer sinnvollñ C zur Spannungsglättung!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 17

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 18

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Pulsweitensteuerung (Pulsweitenmodulation, PWM)‚ Periodendauer des Ein- und Ausschaltzyklus’ konstant‚ Einschaltzeit des Schalters variabel‚ Konstante Schaltfrequenz‚ Anpassung der Bauteile an Schaltfrequenz möglich‚ Heute vorwiegend eingesetzt‚ Mittels programmierbarer Hardware (FPGA, CPLD) leicht zu realisieren

Pulsfolgesteuerung‚ Einschaltzeit des Schalters konstant‚ Ausschaltzeit des Schalters variabel‚ Variable Schaltfrequenz‚ Keine Anpassung der Schaltfrequenz an Bauteile möglich

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 19

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Pulsweitensteuerung (Pulsweitenmodulation, PWM)‚ Periodendauer des Ein- und Ausschaltzyklus’ konstant‚ Einschaltzeit des Schalters variabel‚ Konstante Schaltfrequenz‚ Anpassung der Bauteile an Schaltfrequenz möglich‚ Heute vorwiegend eingesetzt‚ Mittels programmierbarer Hardware (FPGA, CPLD) leicht zu realisieren

Pulsfolgesteuerung‚ Einschaltzeit des Schalters konstant‚ Ausschaltzeit des Schalters variabel‚ Variable Schaltfrequenz‚ Keine Anpassung der Schaltfrequenz an Bauteile möglich

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 19

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 1)

a) Wie kann eine Gleichspannung mit Hilfe von schaltenden Bauelementenvariiert werden? Erklären Sie dies am Beispiel eines Tiefsetzstellers,zuerst anhand einer reinen Widerstandslast, welche anschließend zu einerohmsch-induktiven und zum Schluss zu einer ohmsch-induktiv-kapazitivenLast erweitert wird!

b) Welche Steuermöglichkeiten gibt es (zwei)? Erklären Sie diese und derenUnterschiede!

c) Eine Alternative zu den beiden Steuerelementen, die in Teilaufgabe b)genannt wurden, ist die sogenannte Zweipunkt- oder Hystereseregelung.Erklären Sie kurz deren Funktionsweise! Können die Hysteresegrenzenimmer eingehalten werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 20

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei

˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

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Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten

‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei

˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen

‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei

˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze

‚ Hysteresegrenze erreicht:Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei

˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei

˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Hysterese- oder Zweipunktregelung:

‚ Ziel: Zu regelnde Größe in Hystereseband halten‚ Zu regelnde Größe (Strom/Spannung) wird gemessen‚ Vergleich mit oberer und unterer Hysteresegrenze‚ Hysteresegrenze erreicht:

Neuer Schaltzustand so, dass zu regelnde Größe wieder insHystereseband gelangt

‚ Digitalregler (Sampling):Überprüfung der Hysteresegrenzen nur an Sampling-Schrittenñ Hysteresegrenzen immer überschritten

‚ Hysteresegrenzen (theoretisch) nur einzuhalten bei˝ Digitalregler mit unendlich hoher Samplingfrequenz˝ Unendlich schnell reagierender Analogregler

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 21

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 22

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Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 22

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 22

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 22

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Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 23

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

S

D

L

uL

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

S

D

L

uL

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

Annahme: Schaltung im Gleichgewicht

Somit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

tonż

0

uLptqdt

loooomoooon

S geschlossen

`ton`toffż

ton

uLptqdt

looooooomooooooon

S offen

“ 0

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

S

D

L

uL

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

Annahme: Schaltung im GleichgewichtSomit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

tonż

0

uLptqdt

loooomoooon

S geschlossen

`ton`toffż

ton

uLptqdt

looooooomooooooon

S offen

“ 0

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

S

D

L

uL

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

S geschlossen: uL “ U0 ´ UA

S geöffnet: uL “ ´UA

Somit:pU0 ´ UAq ¨ ton ´ UA ¨ pton ` toff ´ tonq “ 0

U0 ¨ ton ´ UA ¨ ton ´ UA ¨ toff “ 0

U0 ¨ ton ´ UA ¨ pton ` toffq “ 0

Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

UA

U0“ ton

ton ` toff

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

S

D

L

uL

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

S geschlossen: uL “ U0 ´ UA S geöffnet: uL “ ´UA

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers

S geschlossen: uL “ U0 ´ UA S geöffnet: uL “ ´UA

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 24

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 25

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

L

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S

D

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

L

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S

D

Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

Annahme: Schaltung im Gleichgewicht

Somit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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0

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loooomoooon

S geschlossen

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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S

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

Annahme: Schaltung im GleichgewichtSomit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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loooomoooon

S geschlossen

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ton

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looooooomooooooon

S offen

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

L

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S

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 26

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 27

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0 LuL

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0 LuL

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Last UAC

Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Annahme: Schaltung im Gleichgewicht

Somit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Annahme: Schaltung im GleichgewichtSomit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines kombinierten Hoch- und TiefsetzstellersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 28

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Schaltnetzteile (Teil 2)

d) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Tiefsetzstellers (Buck-Converter)mit Glättungskondensator! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

e) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers(Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

f) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Hoch- Tiefsetzstellers(Buck-Boost-Converter)! Berechnen Sie das Verhältnis von Ein- undAusgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die der Schalter offenund geschlossen ist!

g) Zeichnen Sie das Prinzipschaltbild eines Cuk-Converters! Berechnen Siedas Verhältnis von Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit von derZeit, die der Schalter offen und geschlossen ist!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 29

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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S

C

UC

LA

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D CA Last UA

Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

U0

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Annahme: Schaltung im Gleichgewicht

Somit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Annahme: Schaltung im GleichgewichtSomit gilt für eine Periode (Ein- und Ausschaltvorgang):

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Induktivität L0:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Prinzipschaltbild eines Cuk-ConvertersWichtig: UA hat umgekehrte Polarität!

Induktivität L0:

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Gliederung

1 Klassische Netzteilschaltungen

2 Schaltnetzteile

3 Vierquadrantensteller

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 30

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

Vierquadrantensteller

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S2D2

S4D4

12

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Vierquadrantensteller

‚ S1, S2, S3, S4: Ein- und ausschaltbar‚ D1, D2, D3, D4: Freilaufdioden‚ Quellenspannung UQ “ const.‚ Ausgangsspannung der (unbekannten) RL-Last: uA

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 31

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

a) Zeichnen Sie alle acht möglichen Stromlaufpfade desVierquadrantenstellers für die angegebenen Ströme und Spannungen incl.der Stromlaufrichtung ein!

b) Zeichnen Sie jeweils die Quadranten ein, in welchen die entsprechendenTeilschaltungen betrieben werden können!

c) Zeichnen Sie für die gegebenen Ein-Quadrant-Teilschaltungen und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

d) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

e) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 32

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Hinweis:Freilauf nur über Ventile und LastFreilauf nicht über Quellen

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 33

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

a) Zeichnen Sie alle acht möglichen Stromlaufpfade desVierquadrantenstellers für die angegebenen Ströme und Spannungen incl.der Stromlaufrichtung ein!

b) Zeichnen Sie jeweils die Quadranten ein, in welchen die entsprechendenTeilschaltungen betrieben werden können!

c) Zeichnen Sie für die gegebenen Ein-Quadrant-Teilschaltungen und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

d) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

e) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 34

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 35

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

a) Zeichnen Sie alle acht möglichen Stromlaufpfade desVierquadrantenstellers für die angegebenen Ströme und Spannungen incl.der Stromlaufrichtung ein!

b) Zeichnen Sie jeweils die Quadranten ein, in welchen die entsprechendenTeilschaltungen betrieben werden können!

c) Zeichnen Sie für die gegebenen Ein-Quadrant-Teilschaltungen und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

d) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

e) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 36

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 37

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

a) Zeichnen Sie alle acht möglichen Stromlaufpfade desVierquadrantenstellers für die angegebenen Ströme und Spannungen incl.der Stromlaufrichtung ein!

b) Zeichnen Sie jeweils die Quadranten ein, in welchen die entsprechendenTeilschaltungen betrieben werden können!

c) Zeichnen Sie für die gegebenen Ein-Quadrant-Teilschaltungen und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

d) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

e) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 38

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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S1 und S3 entgegengesetzt getaktet

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a) Zeichnen Sie alle acht möglichen Stromlaufpfade desVierquadrantenstellers für die angegebenen Ströme und Spannungen incl.der Stromlaufrichtung ein!

b) Zeichnen Sie jeweils die Quadranten ein, in welchen die entsprechendenTeilschaltungen betrieben werden können!

c) Zeichnen Sie für die gegebenen Ein-Quadrant-Teilschaltungen und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

d) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

e) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

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f) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

g) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

h) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

i) Nun soll eine Pulsweitenmodulation für den Vierquadrantensteller realisiertwerden. Hierzu sollen dreieckförmige Carrier-Signale mit der Länge tcverwendet werden. Die Soll-Lastspannung u˚

A, welche moduliert werdensoll, ist gegeben. Wie kann die Pulsweitenmodulation realisiert werden?Was ist bei den Schalterstellungen zu beachten? Zeichnen Sie dieCarrier-Signale und die Schalterstellungen für die gegebenenSollspannungen u˚

Aptq ein! Was muss zusätzlich noch bei einerpraktischen Realisierung der PWM beachtet werden?

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

f) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

g) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

h) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

i) Nun soll eine Pulsweitenmodulation für den Vierquadrantensteller realisiertwerden. Hierzu sollen dreieckförmige Carrier-Signale mit der Länge tcverwendet werden. Die Soll-Lastspannung u˚

A, welche moduliert werdensoll, ist gegeben. Wie kann die Pulsweitenmodulation realisiert werden?Was ist bei den Schalterstellungen zu beachten? Zeichnen Sie dieCarrier-Signale und die Schalterstellungen für die gegebenenSollspannungen u˚

Aptq ein! Was muss zusätzlich noch bei einerpraktischen Realisierung der PWM beachtet werden?

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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f) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

g) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

h) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

i) Nun soll eine Pulsweitenmodulation für den Vierquadrantensteller realisiertwerden. Hierzu sollen dreieckförmige Carrier-Signale mit der Länge tcverwendet werden. Die Soll-Lastspannung u˚

A, welche moduliert werdensoll, ist gegeben. Wie kann die Pulsweitenmodulation realisiert werden?Was ist bei den Schalterstellungen zu beachten? Zeichnen Sie dieCarrier-Signale und die Schalterstellungen für die gegebenenSollspannungen u˚

Aptq ein! Was muss zusätzlich noch bei einerpraktischen Realisierung der PWM beachtet werden?

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0

IQ

t

iS4ptq

0

IQ

t

iD2ptq

0

IQ

t

iD3ptq

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 47

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

S1

D3

R L

uAiA

iQ

D2

S4

S4 immer ein bei UA ą 0S1 immer aus bei UA ă 0Freilauf nur oben

0

UQ

t

uQptq

´UQ

0

UQ

t

uAptq

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0

IQ

t

iAptq

01

t

s1ptq

01

t

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0

IQ

t

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0

IQ

t

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0

IQ

t

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IQ

t

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0

IQ

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0

UQ

t

uQptq

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0

UQ

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IQ

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t

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01

t

s4ptq

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0

IQ

t

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0

IQ

t

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0

IQ

t

iS4ptq

0

IQ

t

iD2ptq

0

IQ

t

iD3ptq

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 47

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

f) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

g) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

h) Zeichnen Sie für die gegebene Zwei-Quadrant-Teilschaltung und dievorgegebenen Spannungen, Ströme und Schalterstellungen jeweils dieresultierenden Ventilströme (Vorzeichen beachten!) und den Quellenstromein!

i) Nun soll eine Pulsweitenmodulation für den Vierquadrantensteller realisiertwerden. Hierzu sollen dreieckförmige Carrier-Signale mit der Länge tcverwendet werden. Die Soll-Lastspannung u˚

A, welche moduliert werdensoll, ist gegeben. Wie kann die Pulsweitenmodulation realisiert werden?Was ist bei den Schalterstellungen zu beachten? Zeichnen Sie dieCarrier-Signale und die Schalterstellungen für die gegebenenSollspannungen u˚

Aptq ein! Was muss zusätzlich noch bei einerpraktischen Realisierung der PWM beachtet werden?

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 48

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UQ

S1 D1

S3 D3

uA

S2D2

S4D4

12

3 4

iA

uA

Zu beachten‚ S1 und S3 sind komplementär‚ S2 und S4 sind komplementär‚ Komplementäre Schalter dürfen niemals zugleich eingeschaltet sein!ñ Sofortige Zerstörung der Spannungsquelle!

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 49

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

S1 D1

S3 D3

uA

S2D2

S4D4

12

3 4

iA

uA

Pulsweitenmodulation für Vierquadrantensteller‚ Positives Carriersignal c1ptq für S1 und S3:

S1 ist ein, wenn u˚Aptq ă c1ptq, ansonsten: S1 ist aus

‚ Negatives Carriersignal c2ptq für S2 und S4:S4 ist ein, wenn u˚

Aptq ă c2ptq, ansonsten: S4 ist aus‚ Steuersignale für S3 und S2 sind invertierte Steuersignale für S1 bzw. S4

‚ In der Regel mittels programmierbarer Hardware (CPLDs, FPGAs)realisiertEinfache Programmierung z. B. in VHDL möglich

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 49

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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S3 D3

uA

S2D2

S4D4

12

3 4

iA

uA

Reale PWM-Implementierung mit Interlock- bzw. Totzeit‚ Komplementäre Schalter dürfen niemals zugleich eingeschaltet sein‚ Jitter-Effekte und endliche Stromänderungsgeschwindigkeiten:ñ Tot- oder Interlockzeit nötig:

˝ Schalter wird sofort ausgeschaltet˝ Komplementärer Schalter wird nach Ablauf der Totzeit eingeschaltet˝ Folge: Kein Brückenkurzschluss˝ Typische Totzeiten: 500 ns . . . 5 µs

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 49

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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S3 D3

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S2D2

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3 4

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uA

0

1

t

sptq Ideal, ohne Interlockzeit

0

1

t

sptq

0

1

t

sptq Real, mit Interlockzeit

0

1

t

sptq

Übung 5: DC/DC-Wandler und Wechselrichter Seite 49

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

UQ

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0

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0

1

t

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0

1

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1

t

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1

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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S1 D1

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0

UQ

t

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0

1

t

s1ptq

0

1

t

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1

t

s2ptq

0

1

t

s4ptq

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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S2D2

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0

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t

u˚Aptq, c1ptq, c2ptq

0

1

t

s1ptq

0

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t

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0

1

t

s2ptq

0

1

t

s4ptq

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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S2D2

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0

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0

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t

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0

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s2ptq

0

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1

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0

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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tc

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0

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0

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0

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0

1

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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München

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0

1

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0

1

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Ende

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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