Leistungselektronik - Cheatsheet

Grundlagen der Energieumwandlung und Steuerung

Definition:

Die Grundlagen der Energieumwandlung und -steuerung umfassen die Prinzipien und Techniken, mit denen elektrische Energie in verschiedene Formen umgewandelt und kontrolliert wird.

Details:

• Grundgleichungen: \(P = U \times I\)
• Transformatoren: Wandeln Spannung/Ströme durch elektromagnetische Induktion um
• Wechselrichter: Wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um (und umgekehrt per Gleichrichter)
• DC-DC-Wandler: Anpassen von Gleichspannungsebenen
• Steuerungstechniken: PWM (Pulsweitenmodulation), PFM (Pulsfrequenzmodulation)
• Leistungshalbleiter: Transistoren, MOSFETs, IGBTs

Topologien von Schaltkreisen: H-Brücke, Buck- und Boost-Wandler

Definition:

Topologien von Schaltkreisen in der Leistungselektronik: H-Brücke steuert die Richtung des Stromflusses zu einer Last; Buck-Wandler reduziert eine höhere Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung; Boost-Wandler erhöht eine niedrigere Eingangsspannung auf eine höhere Ausgangsspannung.

Details:

• H-Brücke: Vier Schalter (MOSFETs oder IGBTs) ermöglichen bidirektionalen Stromfluss.
• Buck-Wandler: Wandelt DC-Spannung von hoch zu niedrig; Hauptkomponenten: Schalter, Diode, Spule, Kondensator.
• Boost-Wandler: Wandelt DC-Spannung von niedrig zu hoch; Hauptkomponenten: Schalter, Diode, Spule, Kondensator.
• Formeln:
• Für Buck-Wandler: \( V_{out} = D \cdot V_{in} \)
• Für Boost-Wandler: \( V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D} \)
• Hierbei ist \( D \) das Tastverhältnis des Schaltzyklus.

Eigenschaften und Anwendung von MOSFETs und IGBTs

Definition:

MOSFET und IGBT: Halbleiterbauelemente in der Leistungselektronik, verwendet zur Schaltung und Regelung hoher Leistungen.

Details:

• MOSFET: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor
• IGBT: Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
• MOSFET: schnelle Schaltzeiten, geringe Verlustleistung bei hohen Frequenzen
• IGBT: höhere Spannungs- und Stromtragfähigkeit
• Arbeitspunkt eines MOSFETs: durch Gate-Source-Spannung \( V_{GS} \) bestimmt
• Arbeitspunkt eines IGBTs: durch Gate-Emitter-Spannung \( V_{GE} \) bestimmt
• Anwendung MOSFETs: Schaltnetzteile, DC/DC-Wandler
• Anwendung IGBTs: Frequenzumrichter, Leistungsschalter

Wärmeableitungstechniken und Kühlmethoden

Definition:

Techniken und Methoden, um Wärme in leistungselektronischen Bauteilen abzuleiten und die Temperatur zu kontrollieren.

Details:

• Leitung: Wärme wird durch leitende Materialien wie Kupfer oder Aluminium abgeleitet.
• Konvektion: Nutzung von Luft oder Flüssigkeit zur Wärmeübertragung.
• Kühlkörper: Erhöht die Oberfläche zur verbesserten Wärmeableitung.
• Wärmeleitpaste: Verbesserte Wärmeübertragung zwischen Bauteilen und Kühlkörpern.
• Flüssigkeitskühlung: Effektivere Kühlung bei sehr hoher Leistung.
• Peltier-Elemente: Elektronische Bauteile zur aktiven Kühlung.
• Lüfter: Erhöhen den Luftstrom zur Wärmeabfuhr.
• Joule-Gesetz: \( P = I^2 \times R \) - beschreibt die Wärmeentwicklung in elektrischen Leitern.

Regelungsstrategien und Steuerung in Leistungselektronik

Definition:

Regelungsstrategien und Steuerung in Leistungselektronik: Optimierung und Stabilisierung der Leistungselektroniksysteme durch verschiedene Steuer- und Regelungsansätze.

Details:

• Regelungstheorie: Anwendung von PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative)
• Closed-Loop-Systeme: Überwachung und Anpassung basierend auf Rückkopplung
• Open-Loop-Systeme: Steuerung ohne Rückkopplung, z.B. Zeitsteuerung
• PWM (Pulsweitenmodulation): Steuerung der Ausgangsspannung durch Anpassung der Pulsbreite
• Schaltnetzteile: Effiziente Energieumwandlung durch regelbare Schalter
• Mathematische Modelle: z.B. Zustandsraumdarstellung zur Systembeschreibung

Dioden: Schaltverhalten und Leistungskennwerte

Definition:

Schaltverhalten und Leistungskennwerte von Dioden in der Leistungselektronik: Kerneigenschaften, die das Umschalten und die maximale Leistung einer Diode beeinflussen.

Details:

• Schaltzeit: Dauer für das Umschalten zwischen leitendem und sperrendem Zustand.
• Recovery-Time: Dauer bis zur vollen Sperrfähigkeit nach Leitphase. Unterscheidung zwischen Reverse-Recovery-Time (\textit{t_rr}) und Forward-Recovery-Time (\textit{t_fr}).
• Vorwärtsspannung (\textit{V_F}): Spannung bei leitender Diode.
• Sperrspannung (\textit{V_R}): Maximale Spannung, die im sperrenden Zustand aushaltbar ist.
• Leckstrom (\textit{I_R}): Strom im sperrenden Zustand.
• Nennstrom (\textit{I_F}): Maximaler kontinuierlicher Strom.
• Spitzen-Sperrschicht-Temperatur (\textit{T_J,max}): Maximale erlaubte Temperatur an der Sperrschicht.

Fortschritte in Wide-Bandgap-Halbleitern

Definition:

Technologische Fortschritte in Halbleitern mit breitem Bandabstand, die für höhere Effizienz in der Leistungselektronik sorgen.

Details:

• Verbesserte Materialien: SiC, GaN
• Höhere Schaltgeschwindigkeiten
• Reduzierte Verluste
• Erhöhte Betriebstemperaturen
• Bessere thermische Leitfähigkeit
• Höhere Spannungsfestigkeit

Thermische Modellierung und Simulation

Definition:

Wärmeentwicklung in leistungselektronischen Bauelementen durch Verlustleistung. Thermische Modelle erforderlich zur Simulation und Optimierung des Wärmemanagements.

Details:

• Verwendung von RC-Modellen zur Beschreibung der thermischen Verhalten
• Gleichung: \( P_{\text{Verlust}} = R_{\text{th}} \times (T_{\text{J}} - T_{\text{K}}) \)
• Simulationstools wie SPICE oder MATLAB nutzen
• Kritisch für Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente
• Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität als wichtige Materialparameter
• Einfluss des Wärmeübergangswiderstands (\textit{Thermal Interface Material})