Leistungselektronik - Exam

Aufgabe 1)

In diesem Szenario betreibst Du ein System zur Umwandlung von elektrischer Energie mittels Leistungselektronik-Komponenten. Dein System besteht aus einem AC-DC Gleichrichter, einem DC-DC Wandler und einem DC-AC Wechselrichter. Das Ziel Deines Systems ist es, eine variable Eingangsspannung aus einer erneuerbaren Energiequelle (z.B. Wind, Solar) in eine stabile Ausgangsspannung zu wandeln, die für die Versorgung kritischer Lasten geeignet ist. Du nutzt PWM (Pulsweitenmodulation) zur Regelung und Steuerung der Energieflüsse.

a)

(a) Berechnung und Wirkungsgrad:

Gegeben seien folgende Parameter:

• Eingangsspannung des Systems: 200 V DC
• Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers: 48 V DC
• Ausgangsspannung des DC-AC Wechselrichters: 230 V AC (RMS)
• Gesamtwirkungsgrad des Systems: 90 %

Berechne die durchschnittliche Leistung, die von der erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt werden muss, um eine Last mit einer Leistungsaufnahme von 800 W an der AC-Ausgangsseite zu versorgen.

Nimm an, dass der Wirkungsgrad sowohl des DC-DC Wandlers als auch des DC-AC Wechselrichters gleich ist.

Lösung:

Um die durchschnittliche Leistung zu berechnen, die von der erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt werden muss, um eine Last mit einer Leistungsaufnahme von 800 W an der AC-Ausgangsseite zu versorgen, gehen wir schrittweise vor.

Gegebene Parameter:

• Eingangsspannung des Systems: 200 V DC
• Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers: 48 V DC
• Ausgangsspannung des DC-AC Wechselrichters: 230 V AC (RMS)
• Gesamtwirkungsgrad des Systems: 90 %
• Leistungsaufnahme der Last: 800 W

Es wird angenommen, dass der Wirkungsgrad sowohl des DC-DC Wandlers als auch des DC-AC Wechselrichters gleich ist.

1. Schritt: Berechne die gesamte erforderliche Eingangsleistung des Systems

Der Wirkungsgrad (\text{η}) des Gesamtsystems ist gegeben als 90 %, also 0,9. Die Gesamtleistung, die an die Last geliefert wird (\text{P}_{\text{out}}), beträgt 800 W. Die gesamte erforderliche Eingangsleistung (\text{P}_{\text{in}}) wird wie folgt berechnet:

\[P_{in} = \frac{P_{out}}{\eta}\]

Einsetzen der Werte:

\[P_{in} = \frac{800}{0.9} = 888.89 \, \text{W}\]

2. Schritt: Berechne den Wirkungsgrad einzelner Komponenten (DC-DC Wandler und DC-AC Wechselrichter)

Da der Wirkungsgrad des DC-DC Wandlers und des DC-AC Wechselrichters gleich ist, sei \text{η}_{\text{dc-dc}} = \text{η}_{\text{dc-ac}}. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems (\text{η}) ist das Produkt der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten:

\[\eta = \eta_{\text{dc-dc}} \times \eta_{\text{dc-ac}} = \eta_{\text{component}}^2\]

\text{\text{η}_{\text{component}}} steht für den Wirkungsgrad jeder einzelnen Komponente:

\[\eta_{\text{component}} = \sqrt{\eta} = \sqrt{0.9} \approx 0.9487\]

3. Schritt: Berechne die Leistung der erneuerbaren Energiequelle

Da \text{P}_{\text{in}} = 888.89 W und der Wirkungsgrad der DC-DC Wandlers (\text{η}_{\text{dc-dc}}) 0.9487 ist, können wir die erforderliche Eingangsleistung dieser Komponente berechnen:

\[P_{\text{dc-dc-in}} = \frac{P_{in}}{\eta_{\text{component}}} = \frac{888.89}{0.9487} \approx 937.20 \, \text{W}\]

Daraus ergibt sich, dass die durchschnittliche Leistung, die von der erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt werden muss, um die Last mit einer Leistungsaufnahme von 800 W an der AC-Ausgangsseite zu versorgen, 937.20 W beträgt.

b)

(b) PWM Steuerung:

Zur Regelung der Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers von 200 V auf 48 V verwendest Du PWM. Der Wandler ist als Abwärtswandler (Buck Converter) konfiguriert. Berechne das Duty Cycle (Tastverhältnis) der PWM, das notwendig ist, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Mache notwendige Annahmen und formuliere die mathematischen Schritte.

Zusätzlich beschreibe, wie sich eine Änderung der Eingangsspannung auf das erforderliche Duty Cycle auswirkt und was dies für die Reglereinstellungen bedeutet.

Lösung:

(b) PWM Steuerung:

Um die Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers von 200 V auf 48 V mittels PWM zu regeln, verwenden wir die Konfiguration eines Abwärtswandlers (Buck Converter). Der Abwärtswandler wandelt eine höhere Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um, wobei das Tastverhältnis (Duty Cycle) der PWM die Ausgangsspannung bestimmt.

Gegebene Parameter:

• Eingangsspannung (\text{V}_{\text{in}}): 200 V
• Gewünschte Ausgangsspannung (\text{V}_{\text{out}}): 48 V

Berechnung des Duty Cycle:

Der Duty Cycle (\text{D}) für einen Abwärtswandler wird durch das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung bestimmt:

\[D = \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}\]

Einsetzen der gegebenen Werte:

\[D = \frac{48 V}{200 V} = 0.24\]

Das notwendige Duty Cycle (Tastverhältnis) ist somit 0.24 oder 24 %.

Einfluss einer Änderung der Eingangsspannung auf das Duty Cycle:

Der Duty Cycle variiert direkt mit der Eingangsspannung. Wenn sich die Eingangsspannung ändert, muss das Duty Cycle entsprechend angepasst werden, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen. Wenn zum Beispiel die Eingangsspannung steigt, muss das Duty Cycle reduziert werden, um die gleiche Ausgangsspannung zu erhalten. Umgekehrt muss das Duty Cycle erhöht werden, wenn die Eingangsspannung sinkt.

Mathematisch kann dies wie folgt ausgedrückt werden:

\[D = \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}\]

Zum Beispiel, wenn die Eingangsspannung auf 220 V steigt, ergibt sich das Duty Cycle:

\[D = \frac{48 V}{220 V} = 0.218\]

Auswirkungen auf die Reglereinstellungen:

Die Änderlichkeit der Eingangsspannung bedeutet, dass die Reglereinstellungen für den Buck Converter dynamisch sein müssen. Der Regler muss in der Lage sein, das Duty Cycle an aktuelle Eingangsspannungen anzupassen, um eine stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten. Dies wird üblicherweise durch einen Feedback-Mechanismus erreicht, der die Ausgangsspannung misst und das Duty Cycle entsprechend anpasst.

Aufgabe 2)

Verluste und Effizienz in leistungselektronischen Systemen

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

b)

Das gleiche System hat Leitungsverluste von 20 W. Bestimme die restlichen Verluste und ordne sie den Schaltverlusten oder statischen Verlusten zu.

Lösung:

Lösung der Teilaufgabe:Um die restlichen Verluste zu bestimmen und sie den Schaltverlusten oder statischen Verlusten zuzuordnen, folge diesen Schritten:

• Gegeben sind:
  • Aufgenommene Leistung (\textit{P_{in}}): 500 W
  • Abgegebene Leistung (\textit{P_{out}}): 450 W
  • Leitungsverluste: 20 W
• Die gesamten Verluste im System ergeben sich aus der Differenz der aufgenommenen und abgegebenen Leistung:
  • \[ \text{Gesamtverluste} = P_{in} - P_{out} \]
  • \[ \text{Gesamtverluste} = 500 \text{ W} - 450 \text{ W} = 50 \text{ W} \]
• Nun berücksichtigen wir die bereits bekannten Leitungsverluste von 20 W:
• \[ \text{Restliche Verluste} = \text{Gesamtverluste} - \text{Leitungsverluste} \]
• \[ \text{Restliche Verluste} = 50 \text{ W} - 20 \text{ W} = 30 \text{ W} \]
• Da wir angenommen haben, dass die restlichen Verluste zwischen Schaltverlusten und statischen Verlusten aufgeteilt werden, können wir sie entweder den Schaltverlusten oder den statischen Verlusten zuordnen. Ohne spezifische weitere Informationen gehen wir davon aus, dass alle restlichen Verluste gleichmäßig aufgeteilt werden können. Wir könnten aber folgendes tun, falls mehr Informationen verfügbar werden:
• \[ \text{Schaltverluste} = 30 \text{ W} \] (falls angenommen alle Verluste sind Schaltverluste)
• oder
• \[ \text{Statische Verluste} = 30 \text{ W} \] (falls angenommen alle Verluste sind statische Verluste)

Zusammenfassend:

• Gesamt Verluste sind 50 W
• 30 W der restlichen Verluste müssen den Schalt- oder statischen Verlusten zugeordnet werden.

c)

Erkläre, wie du die Schaltverluste in einem solchen System minimieren könntest. Gehe dabei auf mögliche Maßnahmen und Technologien ein, die genutzt werden könnten.

Lösung:

Maßnahmen zur Minimierung der Schaltverluste in leistungselektronischen Systemen:Schaltverluste entstehen während der Umschaltvorgänge in leistungselektronischen Bauteilen, insbesondere in Halbleitern wie Transistoren. Um diese Verluste zu minimieren, können verschiedene Maßnahmen und Technologien eingesetzt werden:

• Schnelle Schaltzeiten: Durch Verwendung schneller Halbleiterschalter können die Schaltzeiten verkürzt werden, was die Energieverluste während der Umschaltvorgänge reduziert. Insbesondere können Bauelemente wie MOSFETs und IGBTs mit niedrigen Einschalt- und Ausschaltzeiten verwendet werden.
• Optimierte Schaltfrequenzen: Eine Reduzierung der Schaltfrequenz kann die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringern, was zu geringeren Schaltverlusten führt. Allerdings muss dies gegen andere Effekte wie die Größe der passiven Bauelemente abgewogen werden.
• Soft-Switching-Techniken: Durch die Implementierung von Soft-Switching-Techniken wie Zero Voltage Switching (ZVS) oder Zero Current Switching (ZCS) können die Schaltverluste erheblich reduziert werden, indem die Schaltvorgänge bei minimaler Spannung oder Stromstärke durchgeführt werden.
• Verwendung von Wide-Bandgap-Halbleitern: Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten bessere Schalteigenschaften als herkömmliches Silizium und können die Schaltverluste durch ihre höheren Durchbruchspannungen und schnelleren Schaltzeiten reduzieren.
• Reduzierung der Gate-Ladung: Durch die Wahl von Transistoren mit geringerer Gate-Ladung kann die Energie, die zum Umschalten benötigt wird, verringert werden. Dies kann die Schaltverluste bei schnellen Umschaltvorgängen senken.
• Optimierte Treiberschaltungen: Treiberschaltungen, die speziell darauf ausgelegt sind, die Halbleiterswitches effizient an- und auszuschalten, können zur Minimierung der Schaltverluste beitragen. Diese Treiber sollten in der Lage sein, die Schalter schnell und mit minimalem Überschwingen zu steuern.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Einführung schneller Schaltzeiten, optimierte Schaltfrequenzen, Soft-Switching-Techniken, Wide-Bandgap-Halbleiter, reduzierte Gate-Ladung und optimierte Treiberschaltungen die Schaltverluste in leistungselektronischen Systemen signifikant verringert werden können.

d)

Diskutiere den Einfluss des Wirkungsgrads auf die Gesamtsystemleistung und beschreibe, welche Auswirkung dies auf große leistungselektronische Systeme wie z.B. in der industriellen Anwendung haben kann.

Lösung:

Diskussion über den Einfluss des Wirkungsgrads auf die Gesamtsystemleistung:Der Wirkungsgrad (\( \textit{η} \)) eines leistungselektronischen Systems ist ein Maß dafür, wie effizient das System die aufgenommene Energie in nutzbare, abgegebene Energie umwandelt. Der Wirkungsgrad wird berechnet als:

• \( \textit{η} = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100 \text{%} \)

Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass ein größerer Anteil der aufgenommenen Leistung in nutzbare Ausgangsleistung umgewandelt wird, während ein geringerer Wirkungsgrad darauf hinweist, dass ein größerer Anteil der Leistung in Form von Verlusten (Wärme, Schaltung, etc.) verloren geht.Einfluss auf die Gesamtsystemleistung:

• Erhöhung der Energieeffizienz: Ein hoher Wirkungsgrad führt zu einer höheren Energieeffizienz. Dies bedeutet, dass weniger Energie verschwendet wird, was die Betriebskosten senkt und die Notwendigkeit zusätzlicher Kühlmaßnahmen reduziert.
• Reduktion der Betriebskosten: Indem Verlustleistungen reduziert werden, sinkt der Bedarf an Kompensationsenergie. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen in großen Systemen führen.
• Weniger Wärmemanagement: Ein höherer Wirkungsgrad führt zu weniger Wärmeverlusten, was wiederum den Bedarf an aufwändigen Kühllösungen reduziert und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Komponenten erhöhen kann.
• Umweltfreundlichkeit: Durch die Reduktion der verschwendeten Energie wird weniger fossile Energie verbraucht, was die CO2-Bilanz verbessert.

Auswirkungen auf große leistungselektronische Systeme (z.B. in der industriellen Anwendung):

• Kosteneinsparungen: In industriellen Anwendungen, in denen große Mengen an Energie übertragen und umgewandelt werden, können bereits kleine Verbesserungen im Wirkungsgrad zu erheblichen finanziellen Einsparungen führen.
• Zuverlässigkeit und Wartung: Ein höherer Wirkungsgrad reduziert die thermischen Belastungen der Komponenten, was deren Langlebigkeit erhöht und den Wartungsaufwand verringert.
• Größere Nachhaltigkeit: Durch einen höheren Wirkungsgrad wird weniger Energie verschwendet, was den Einsatz erneuerbarer Energien wirtschaftlicher macht und zur Reduktion der Umweltbelastung beiträgt.
• Skalierbarkeit: Effizientere Systeme ermöglichen eine Skalierung ohne proportional höhere Verluste, was für große industrielle Anwendungen von Bedeutung ist.
• Einhaltung von Vorschriften: Höhere Effizienzstandards helfen Unternehmen dabei, gesetzliche Vorschriften und Normen für Energieverbrauch und Umweltauflagen einzuhalten.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein höherer Wirkungsgrad zu einer Verbesserung der Gesamtsystemleistung, Kostenreduktion, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit eines Systems führt. Besonders in großen leistungselektronischen Systemen und industriellen Anwendungen sind die Vorteile deutlich spürbar und tragen maßgeblich zur Effizienz und Wirtschaftlichkeit bei.

Aufgabe 3)

Ein Gleichstromwandler verwendet einen Leistungstransistor, der während des Betriebs wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Die Eingangsspannung beträgt 200V und der Laststrom beträgt 10A. Der Transistor besitzt einen Einschaltwiderstand von 0.05Ω und die folgenden Schaltzeiten: t_on = 20ns, t_off = 50ns. Die Schaltfrequenz des Wandlers beträgt 100kHz.

a)

Berechne die Leitungsverluste des Transistors basierend auf den gegebenen Parametern. Nutze dazu die Formel für die Leitungsverluste:

• P_{cond} = I_{rms}^2 \times R_{on}

Lösung:

Um die Leitungsverluste des Transistors zu berechnen, kannst Du die folgende Formel verwenden:

• Formel für die Leitungsverluste: \(P_{cond} = I_{rms}^2 \times R_{on}\)

Dabei sind die gegebenen Parameter:

• Laststrom (\textit{I}): 10A
• Einschaltwiderstand (\textit{R_{on}}): 0,05Ω

Allerdings wird hier der Effektivwert des Stroms (\textit{I_{rms}}) benötigt. Da in der Aufgabe keine Informationen über die Art des Stroms vorliegen, gehen wir davon aus, dass der Strom konstant ist:

• \textit{I_{rms}}: 10A

Jetzt setzen wir die Werte in die Formel ein:

Berechnung:

• \(P_{cond} = (10A)^2 \times 0,05Ω\)
• \(P_{cond} = 100A^2 \times 0,05Ω\)
• \(P_{cond} = 5W\)

Daher betragen die Leitungsverluste des Transistors \(5W\).

b)

Berechne die Schaltverluste des Transistors basierend auf den gegebenen Parametern. Nutze dazu die Formel für die Schaltverluste:

• P_{sw} = \frac{1}{2} V_{dc} I_{dc} (t_{on} + t_{off}) f_{sw}

Lösung:

Um die Schaltverluste des Transistors zu berechnen, kannst Du die folgende Formel verwenden:

• Formel für die Schaltverluste: \(P_{sw} = \frac{1}{2} V_{dc} I_{dc} (t_{on} + t_{off}) f_{sw} \)

Dabei sind die gegebenen Parameter:

• Eingangsspannung (\textit{V_{dc}}): 200V
• Laststrom (\textit{I_{dc}}): 10A
• Einschaltzeit (\textit{t_{on}}): 20ns = 20 \times 10^{-9}s
• Ausschaltzeit (\textit{t_{off}}): 50ns = 50 \times 10^{-9}s
• Schaltfrequenz (\textit{f_{sw}}): 100kHz = 100 \times 10^{3}Hz

Jetzt setzen wir die Werte in die Formel ein:

Berechnung:

• \(P_{sw} = \frac{1}{2} \times 200V \times 10A \times (20 \times 10^{-9}s + 50 \times 10^{-9}s) \times 100 \times 10^{3}Hz\)
• \(P_{sw} = \frac{1}{2} \times 200 \times 10 \times (70 \times 10^{-9}) \times 100 \times 10^{3} \)
• \(P_{sw} = \frac{1}{2} \times 2000 \times 70 \times 10^{-6} \)
• \(P_{sw} = 1000 \times 70 \times 10^{-6} \)
• \(P_{sw} = 70 \times 10^{-3} \)
• \(P_{sw} = 0.07W\)

Daher betragen die Schaltverluste des Transistors \(0,07W\).

c)

Zeichne das Zeitschema für die Totzeiten im Betrieb des Gleichstromwandlers und erkläre die Bedeutung der Totzeiten für den zuverlässigen Betrieb des Transistors.

Lösung:

Um das Zeitschema für die Totzeiten im Betrieb des Gleichstromwandlers zu zeichnen, müssen wir verstehen, dass die Totzeit (\textit{dead time}) der Zeitraum ist, in dem sowohl der Transistor als auch der Freilaufdiodenblock abgeschaltet sind, um Kurzschlüsse zu vermeiden. In der Regel wird diese in den Schaltzyklen eingefügt.

Hier ist eine grafische Darstellung des Schaltzyklus, einschließlich der Totzeiten:

• Ein-/Ausschalten des Transistors

 |---t_on---|           |---t_on---|           |---t_on---|                              

 |----------|  ... |----------|  ... |----------|  ... 

 \                                    /\                                    /\                                     

 _|                                    |_                                   |_                                    

   on time                           off time                           on time  

• Ein-/Ausschalten mit Totzeit

 |---t_on---|---Dead Time---|---t_off---|           |---t_on---|---Dead Time---|---t_off---| 

 |----------|                             ...                        |----------|                             ...                      

 \                                    /\                                    /\                                     

 _|                                    |_                                   |_                                    

   on time                         Dead Time                        off time                      on time                         Dead Time                     off time                        Zeit  

Bedeutung der Totzeiten:

• Vermeidung von Kurzschlüssen: Wenn sich der Transistor (MOSFET) vom Ein- auf den Aus-Zustand schaltet und gleichzeitig eine andere Komponente (wie eine Diode) ebenfalls eingeschaltet wird, kann ein Kurzschluss auftreten. Die Totzeit stellt sicher, dass eine ausreichende Verzögerung vorhanden ist, um solche Kurzschlüsse zu vermeiden.
• Reduzierung von Schaltverlusten: Auch wenn die Totzeit zu einer geringeren Spannung an der Last führen kann, hilft sie dabei, die Schaltverluste zu reduzieren, indem sie unerwünschte Ströme und Spannungsspitzen vermeidet.
• Verlängerung der Lebensdauer des Transistors: Durch das Vermeiden der Kurzschlüsse und Reduzieren der Schaltverluste wird die Belastung des Transistors verringert, was zu einer längeren Lebensdauer führt.
• Zuverlässiger Betrieb: Insgesamt trägt die Totzeit zur Stabilität und Zuverlässigkeit des Gleichstromwandlers bei, indem sie die Übergänge zwischen den Schaltzuständen besser kontrolliert.

Aufgabe 4)

Leistungselektronische Schaltungen können mit verschiedenen Schalttechniken betrieben werden: hartes Schalten und weiches Schalten. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile in Bezug auf Schaltverluste, thermische Belastung, elektromagnetische Störungen (EMI) und die Lebensdauer der Bauteile. Bei hartem Schalten erfolgt die Umschaltung bei hohen Spannungen und Strömen, was zu hohen Schaltverlusten und thermischer Belastung führt. Weiches Schalten hingegen erfolgt bei minimalen Spannungen oder Strömen, was die Schaltverluste und EMI reduziert und die Effizienz und Lebensdauer der Bauteile verbessert. Die Schaltverluste beim harten Schalten können durch die Formel \(P_{Schalt} = \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{on} f_{sw} + \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{off} f_{sw}\) beschrieben werden, während sie beim weichen Schalten im Idealfall nahezu null sind.

a)

Berechne die Schaltverluste für eine hart schaltende leistungselektronische Schaltung mit den folgenden Parametern:

• Spannung über den Schalter (\(V_{ds}\)) = 400 V
• Strom durch den Schalter (\(I_d\)) = 10 A
• Einschaltzeit (\(t_{on}\)) = 50 ns
• Ausschaltzeit (\(t_{off}\)) = 75 ns
• Schaltfrequenz (\(f_{sw}\)) = 100 kHz

Nutze die Formel \(P_{Schalt} = \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{on} f_{sw} + \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{off} f_{sw}\) um die Schaltverluste zu berechnen.

Lösung:

Berechnung der Schaltverluste für eine hart schaltende leistungselektronische Schaltung

Leistungselektronische Schaltungen können hart oder weich geschaltet werden, wobei hartes Schalten zu höheren Schaltverlusten führt. Um die Schaltverluste für die angegebenen Parameter zu berechnen, nutzen wir die folgende Formel:

Formel: \[ P_{Schalt} = \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{on} f_{sw} + \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{off} f_{sw} \]

Gegeben:

• Spannung über den Schalter (\(V_{ds}\)) = 400 V
• Strom durch den Schalter (\(I_d\)) = 10 A
• Einschaltzeit (\(t_{on}\)) = 50 ns = 50 \(\times 10^{-9}\) s
• Ausschaltzeit (\(t_{off}\)) = 75 ns = 75 \(\times 10^{-9}\) s
• Schaltfrequenz (\(f_{sw}\)) = 100 kHz = 100 \(\times 10^{3}\) Hz

Berechnung:

• Zuerst berechnen wir den ersten Term der Formel: \[ \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{on} f_{sw} = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 50 \times 10^{-9} \times 100 \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 5 \times 10^{-6} \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 0.005 \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 5 \times 10 \]\[ = 1000 \,W \]
• Dann berechnen wir den zweiten Term der Formel:\[ \frac{1}{2} V_{ds} I_{d} t_{off} f_{sw} = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 75 \times 10^{-9} \times 100 \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 7.5 \times 10^{-6} \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 10 \times 0.0075 \times 10^{3} \]\[ = \frac{1}{2} \times 400 \times 7.5 \times 10 \]\[ = 1500 \,W \]

Summa summarum fügen wir beide Terme zusammen:\[ P_{Schalt} = 1000 \, W + 1500 \, W = 2500 \, W \]

Ergebnis:

Die Schaltverluste für die hart schaltende leistungselektronische Schaltung betragen 2.5 kW (2500 W).

b)

Erkläre die mechanischen und elektrischen Vorteile von weichem Schalten in leistungselektronischen Schaltungen und wie diese zu einer verbesserten Effizienz und längeren Lebensdauer der Bauteile führen können.

Lösung:

Mechanische und elektrische Vorteile von weichem Schalten in leistungselektronischen Schaltungen

Weiches Schalten, auch bekannt als Soft-Switching, bietet eine Vielzahl an mechanischen und elektrischen Vorteilen gegenüber hartem Schalten. Diese Vorteile tragen erheblich zur verbesserten Effizienz und längeren Lebensdauer der Bauteile in leistungselektronischen Schaltungen bei.

Mechanische Vorteile

Geringere thermische Belastung: Weiches Schalten reduziert die Schaltverluste erheblich, was zu einer geringeren Erwärmung der Bauteile führt. Dies verhindert Hitzebildung und die damit verbundenen thermischen Spannungen, die mechanische Schäden oder vorzeitigen Ausfall verursachen können.Reduzierte mechanische Beanspruchung: Durch weichere Übergänge von Schaltzuständen werden mechanische Beanspruchungen, die durch plötzliche Änderungen in Elektrizitätsleitungen und Bauteilen entstehen können, reduziert. Dies trägt dazu bei, mechanische Risse und die Verschlechterung von Materialien zu minimieren.

Elektrische Vorteile

Verminderte Schaltverluste: Der größte elektrische Vorteil besteht darin, dass weiches Schalten die Schaltverluste fast vollständig eliminiert. Dadurch sinkt der Energieverbrauch und die Effizienz des Systems wird gesteigert.Geringere elektromagnetische Störungen (EMI): Weiches Schalten sorgt für sanftere Übergänge beim Schalten, wodurch die durch Schaltimpulse verursachten elektromagnetischen Störungen (EMI) reduziert werden. Dies führt zu einer besseren Verträglichkeit mit anderen Elektroniksystemen und zu einer höheren Signalqualität.Verbesserte Effizienz: Dank der reduzierten Verluste kann mehr der eingespeisten Energie in Nutzleistung umgewandelt werden, was die Effizienz des Gesamtsystems erhöht.Längere Lebensdauer der Bauteile: Die Kombination aus geringerer thermischer Belastung, reduzierter mechanischer Beanspruchung und verminderten elektromagnetischen Störungen trägt dazu bei, die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. Komponenten sind weniger anfällig für Schäden, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht.

Schlussfolgerung

Insgesamt bietet weiches Schalten in leistungselektronischen Schaltungen erhebliche mechanische und elektrische Vorteile. Diese Vorteile führen zu einer verbesserten Effizienz des Systems und verlängern gleichzeitig die Lebensdauer der eingesetzten Bauteile. Diese Technologie ist besonders nützlich für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz von großer Bedeutung sind.