Leistungselektronik - Cheatsheet

Grundlagen der elektrischen Energieumwandlung

Definition:

Wandlung von elektrischer Energie mittels Leistungselektronik-Komponenten - wesentlicher Bestandteil der Informatik.

Details:

• Umwandlung erfolgt durch Schaltelemente
• Hauptkomponenten: Gleichrichter, Wechselrichter, DC-DC Wandler
• Ziel: Effiziente Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie
• Grundlagen: Ohmsches Gesetz, Kirchhoffschen Regeln, Leistungsgesetze
• Typische Anwendungen: Netzteile, Motorsteuerungen, erneuerbare Energien
• Parameter: Eingangsspannung/ -strom, Ausgangsspannung/ -strom, Wirkungsgrad
• Regelung und Steuerung der Energieflüsse durch PWM (Pulsweitenmodulation) und andere Techniken

Verluste und Effizienz in leistungselektronischen Systemen

Definition:

Verluste und Effizienz in leistungselektronischen Systemen beschreiben die nicht vollständig in nutzbare Energie umgewandelte Energie und das Verhältnis zwischen abgegebener und aufgenommener Leistung.

Details:

• Wirkungsgrad \( \eta \) ist definiert als: \[ \eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \]
• Verluste setzen sich zusammen aus Leitungsverlusten, Schaltverlusten und statischen Verlusten.
• Leitungsverluste: Wärmeverluste in Halbleitern und Induktivitäten
• Schaltverluste: Energieverluste während des Umschaltens
• Statische Verluste: Verluste durch Leckströme und Ruheverluste im Ruhezustand
• Höherer Wirkungsgrad => geringerere Verluste

Schaltverhalten und Verlustmechanismen von Halbleitern

Definition:

Verhalten von Halbleitern während des Schaltens und die damit verbundenen Energieverluste.

Details:

• Schaltzeiten:
  • Einschaltzeit (\textit{turn-on time})
  • Ausschaltzeit (\textit{turn-off time})
• Verlustmechanismen:
  • \textit{Leitungsverluste} (\textit{conduction losses}): \(P_{cond} = I^2_{rms} \times R_{on}\)
  • \textit{Schaltverluste} (\textit{switching losses}): \(P_{sw} = \frac{1}{2} V_{dc} I_{dc} (t_{on} + t_{off}) f_{sw}\)
  • \textit{Erholungsverluste} (\textit{recovery losses}): auftreten während der Rekombination von Ladungsträgern
• \textit{Totzeiten} (\textit{dead times}) zwischen den Schaltvorgängen erforderlich um Kurzschlüsse zu vermeiden

Unterschiede zwischen hartem und weichem Schalten

Definition:

Unterschiede zwischen hartem und weichem Schalten in leistungselektronischen Schaltungen.

Details:

• Hartes Schalten: Schalten bei hohen Spannungen und Strömen; hohe Schaltverluste; schnelles Schalten; elektromagnetische Störungen (EMI); thermische Belastung.
• Weiches Schalten: Schalten bei minimalen Spannungen oder Strömen; niedrige Schaltverluste; reduzierter EMI; Verbesserte Effizienz; längere Lebensdauer der Bauteile.
• Formeln für Schaltverluste:
  • Hart: \(P_{Schalt} = \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{on} f_{sw} + \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{off} f_{sw}\)
  • Weich: \(P_{Schalt} \text{ nahezu 0 im Idealfall}\)

Temperaturmanagement von Halbleiterbauelementen

Definition:

Verwaltung und Kontrolle der Temperatur von Halbleiterkomponenten zur Vermeidung von thermischer Überlastung und Sicherstellung der optimalen Leistung und Lebensdauer.

Details:

• Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung als grundlegende Mechanismen des Wärmetransfers.
• Optimale Wahl von Kühlkörpern und Wärmesenken.
• Einsatz von thermischen Schnittstellenmaterialien (TIMs) zur Reduzierung des Wärmewiderstands.
• Nutzung von Lüftern und Flüssigkeitskühlung für verbesserte Kühlleistung.
• \[P = IV = I^2R = \frac{V^2}{R} \] (Verlustleistung, die in Wärme umgewandelt wird).
• \[R_{\theta} = \frac{\Delta T}{P_{th}} \] (Thermischer Widerstand).
• \[T_{\text{Junction}} = T_{\text{Ambient}} + P_{\text{Diss}} \times R_{\theta} \] (Berechnung der Übergangstemperatur).

Leistungselektronik in der Automobilindustrie

Definition:

Leistungselektronik in der Automobilindustrie beschäftigt sich mit der Steuerung und Umwandlung elektrischer Energie in Fahrzeugen zur Effizienzsteigerung und Regelung von Antriebskomponenten.

Details:

• Effizienz: Verbesserung des Energieverbrauchs und der Leistung.
• Komponenten: Wechselrichter, Gleichspannungswandler, Ladegeräte, Steuergeräte.
• Anwendungen: E-Mobilität, Hybridantriebe, Assistenzsysteme.
• Formeln: \[ P = VI \] (Leistung), \[ V = IR \] (Ohmsches Gesetz)
• Trends: SiC und GaN Halbleiter für höhere Effizienz und geringere Verluste.

Normen und Standards in der Leistungselektronikanwendung

Definition:

Normen und Standards in der Leistungselektronikanwendung dienen der Sicherheit, Interoperabilität und Qualitätssicherung von elektronischen Bauteilen und Systemen.

Details:

• IEC 61800: Normreihe für drehzahlveränderbare elektrische Antriebe
• IEC 60950 bzw. IEC 62368: Sicherheitsstandards für IT- und Kommunikationsausrüstung
• IEC 62314: Norm für Halbleiter-Leistungsschalter
• EMV-Richtlinien: Beschränkung von elektromagnetischen Störungen
• RoHS: Beschränkung gefährlicher Stoffe in Elektronik

Messungen und Fehlersuche in leistungselektronischen Schaltungen

Definition:

Messungen und Diagnose von Fehlern in Schaltungen zur Energieumwandlung und -steuerung.

Details:

• Verwende ein Oszilloskop zur Messung von Spannungen (AC/DC), Strömen und Schaltwellenformen.
• Nutze Multimeter für grundlegende Spannungs-, Strom- und Widerstandsmessungen.
• Beachte Sicherheitsaspekte beim Umgang mit hohen Spannungen/Leistungen.
• Verwende Beschaltungstechniken wie Pull-Up/Pull-Down-Widerstände zur Diagnose.
• Anwenden der Kontinuitätsprüfung zur Fehlersuche.
• Simulation von Schaltungen zur Voranalyse und Fehlervorhersage.
• Verwende Fehlerprotokollierung und Debugging-Tools zur systematischen Fehlersuche.