Einführung in die Leistungselektronik – Verwendung von Halbleiterschaltern zur Umwandlung von Spannung, Strom und Frequenz

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Die Umwandlung des Wechselstroms aus der Steckdose in Gleichstrom für eine Batterie, die Rückumwandlung dieses Batteriegleichstroms in den Drehstrom für einen Motor und die Anpassung der Spannung eines Solarmoduls an das Stromnetz – all das übernimmt die Leistungselektronik. Anstatt die Spannung durch Wärmeableitung über einen Widerstand zu reduzieren, schaltet sie Halbleiterschalter wie MOSFETs und IGBTs mit hoher Geschwindigkeit und speichert dabei temporär Energie in Induktivitäten und Kondensatoren, um die benötigte Wellenform zu erzeugen.

Die Umwandlung des Wechselstroms aus der Steckdose in Gleichstrom für eine Batterie, die Rückumwandlung dieses Batteriegleichstroms in Drehstrom für einen Motor und die Anpassung der Spannung eines Solarmoduls an das Stromnetz – all das übernimmt die Leistungselektronik. Anstatt die Spannung durch Wärmeableitung über einen Widerstand zu reduzieren, schaltet sie Halbleiterschalter wie MOSFETs und IGBTs mit hoher Geschwindigkeit und speichert die Energie temporär in Induktivitäten und Kondensatoren, um die benötigte Wellenform zu erzeugen.

Beispiel für einen BLDC-Motor

Beispiel für einen Regelkreis

Bilder: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID Regler-Blockdiagramm (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Repräsentative Beispiele für Motoren und Steuerungen.

0. Zusammenfassung (30 Sekunden)

Ein Leistungshalbleiter ist kein „Bauteil zur Leistungsverstärkung“, sondern ein elektronischer Schalter, der blitzschnell entscheidet, ob Strom fließt oder gesperrt wird.
Wenn $D$ der Anteil der Schaltperiode ist, der für $T_s$ aufgewendet wird, ergibt ein idealer Abwärtswandler $V_o=D V_{in}$ . In einem realen Gerät spielen Leitungsverluste, Schaltverluste und Verluste in magnetischen Bauteilen eine Rolle.
Ein Wechselrichter zerlegt Gleichstrom mittels Pulsweitenmodulation (PWM) in feine Abschnitte und erzeugt daraus eine Sinuswelle als Mittelwert. In einem Motor werden Spannung, Frequenz und Phase variiert, um Drehmoment und Drehzahl zu steuern.
SiC und GaN sind Materialien, die hohe Spannungsfestigkeit, schnelles Schalten und Hochtemperaturbetrieb ermöglichen. Gate-Ansteuerung, parasitäre Induktivität, elektromagnetische Störungen (EMI) und Kosten erschweren jedoch die Entwicklung.

Ein Leistungswandler ist nicht allein aufgrund seines Wirkungsgrades ein fertiges Produkt – Wärmewiderstand, Isolation, Kurzschlussschutz, Steuerungssoftware, Netzstandards und Wartungsfreundlichkeit müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

1. Erzeugung eines Mittelwerts durch Schalten

Schalten Sie einen Schalter $S$ in Reihe mit einer Gleichstromquelle $V_{in}$ und schalten Sie ihn für $DT_s$ von jeder Periode $T_s$ ein. Wenn die Last eine ausreichend große Induktivität aufweist, beträgt die durchschnittliche Spannung an der Last

V_o=\frac{1}{T_s}\int_0^{T_s}v_o(t)dt=D V_{in}

Obwohl der Schalter selbst immer nur 0 V oder $V_{in}$ ausgibt, glättet der Strom der Induktivität die Übergänge, und die Spannung des Kondensators hält den Mittelwert. Das ist die grundlegende Intuition der Leistungselektronik.

Diagramm: Duskcoil. Die rechteckige Wellenform des Schalters wird durch L und C geglättet, wodurch eine mittlere Spannung an die Last abgegeben wird. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht die Verkleinerung der passiven Bauelemente, erhöht aber die Verluste und die elektromagnetischen Störungen (EMI).

2. Auswahl repräsentativer Topologien

Abwärtswandler (Buck), Aufwärtswandler (Boost), Aufwärtswandler (Buck-Boost)

Ein Abwärtswandler (Buck) wird beispielsweise verwendet, um eine 12-V-Schiene aus einer Batterie zu erzeugen; ein Aufwärtswandler (Boost) erhöht die niedrige Spannung einer Solarzelle oder Brennstoffzelle auf einen hohen Zwischenkreis; ein Aufwärtswandler (Buck-Boost) wandelt die Spannung entweder über oder unter die Eingangsspannung um. Im Idealfall Im kontinuierlichen Leitungsbetrieb ergeben sich folgende Zusammenhänge:

V_{Buck}=D V_{in},\qquad V_{Boost}=\frac{V_{in}}{1-D},\qquad V_{BB}=-\frac{D}{1-D}V_{in}

Wenn sich das Tastverhältnis $D$ dem Wert 1 annähert, strebt die ideale Boost-Spannung gegen unendlich. In realen Geräten setzen jedoch die Nennspannung der Schalter, die Sperrverzögerung der Dioden, die Induktivitätssättigung und die Regelungsstabilität diesem Wert deutlich früher Grenzen. Bei hohen Spannungen und Leistungen werden anstelle einer einfachen einstufigen Wandlung Topologien wie Interleaving, isolierte LLC- oder DAB-Wandler (Dual Active Bridge) eingesetzt.

Gleichrichter und Leistungsfaktorkorrektur

Bei der Gleichrichtung von Wechselstrom mit einer Diodenbrücke zieht ein Netzteil mit Kondensatoreingang einen hohen Stromimpuls nahe dem Scheitelpunkt der Spannungswellenform. Ein schlechter Leistungsfaktor erhöht den Strom, den die Verteilungsanlage führen muss. Daher wird eine Boost-PFC-Schaltung (Leistungsfaktorkorrektur) verwendet, um den Eingangsstrom einer Sinuswelle anzunähern. Netzteile für Rechenzentren, Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge und industrielle Wechselrichter müssen gleichzeitig die Anforderungen an Effizienz und Oberschwingungen erfüllen. Zeit.

Wechselrichter und Drehstrommotoren

Ein Drehstrom-Zwei-Level-Wechselrichter steuert sechs Schalter (oberer und unterer) komplementär an und erzeugt so eine Drehstromspannung aus der Zwischenkreisspannung. Würden die oberen und unteren Schalter gleichzeitig eingeschaltet, entstünde ein Kurzschluss im Zwischenkreis. Daher wird eine Totzeit von einigen hundert Nanosekunden bis zu einigen Mikrosekunden eingefügt. Typische Modulationsverfahren sind die sinusförmige Pulsweitenmodulation (PWM), bei der eine Referenzsinuswelle mit einem Dreiecksträger verglichen wird, um die mittlere Spannung zu erzeugen, und die Raumzeiger-PWM (SVPWM), bei der eine Nullkomponente in die drei Phasen eingespeist wird, um die Ausnutzung der Gleichspannung zu erhöhen.

In einem Permanentmagnet-Synchronmotor erzeugt der Strom in der x-Achse, senkrecht zum Rotorfluss, ein Drehmoment. Eine vereinfachte Drehmomentgleichung lautet:

wobei die Polpaarzahl ist. $\psi_f$ den Permanentmagnetfluss und $i_q$ den Strom in $q$ -Achse. Der Stromkreis wird mit wenigen kHz geregelt, und der Rotorwinkel wird entweder über einen Positionssensor oder sensorlos geschätzt. In einem Elektrofahrzeug schaltet derselbe Wechselrichter zwischen hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl, Feldschwächung bei hoher Drehzahl und regenerativer Bremsung um.

3. Auswahl zwischen Si, SiC und GaN

Silizium-MOSFETs/IGBTs sind ausgereift und zeichnen sich durch hohe Kosten und Zuverlässigkeit aus. SiC-MOSFETs eignen sich für hohe Spannungsfestigkeit, geringe Verluste und Hochtemperaturbetrieb und werden zunehmend in Hauptantriebswechselrichtern von Elektrofahrzeugen, PCS-Einheiten für Solaranlagen und Speicher sowie in Hilfsstromversorgungen für Bahnanlagen eingesetzt. GaN-HEMTs zeichnen sich durch hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringe Gate-Ladung aus und sind besonders geeignet für Bereiche, in denen hohe Frequenzen und geringe Größe von Vorteil sind – z. B. in 100-Volt-Netzteilen, Server-Netzteilen und drahtloser Energieübertragung.

Schaltverluste lassen sich im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilen. Arten.

P_{cond}\simeq I_{rms}^2R_{on},\qquad P_{sw}\simeq \frac{1}{2}V I(t_{on}+t_{off})f_s

$R_{on}$ ist der Durchlasswiderstand, $t_{on/off}$ die Übergangszeit und $f_s$ die Schaltfrequenz. Eine Erhöhung der Frequenz verkleinert die magnetischen Bauteile, jedoch steigen Schaltverluste, Gate-Ansteuerverluste und elektromagnetische Störungen (EMI). Da die parasitäre Leitungsinduktivität von SiC/GaN-Bauelementen umso leichter zu Spannungsüberschwingungen führt, muss das Design Gehäuse, Layout, Gate-Widerstand und Snubber berücksichtigen.

4. Thermische Auslegung, Isolation und Schutz bestimmen das Produkt

Mit der Sperrschichttemperatur $T_j$ , der Gehäusetemperatur $T_c$ und dem Wärmewiderstand $R_{th,jc}$ ergibt sich die stationäre Näherung zu:

T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc}

Einschließlich Kühlplatte, Wärmeleitpaste, Kühlkörper und Kühlmitteldurchflussrate Die $T_j$ muss im ungünstigsten Fall unter ihrem Nennwert gehalten werden. In einem Wechselrichter für Elektrofahrzeuge beeinflussen die Kühlmitteleintrittstemperatur, kurzzeitige Überlastung, die Wärmeentwicklung bei der Regeneration und sogar Salzwasser und Vibrationen die Lebensdauer.

In einer Hochvoltbatterie werden Kriech- und Luftstrecken, Isolationsüberwachung, Vorladung, Sicherungen, Schütze und ein Entladewiderstand kombiniert. Kurzschlussschutz bedeutet nicht einfach „je schneller, desto besser“ – er erfordert eine zeitliche Koordination, die einen Betriebsstopp bei Fehlalarmen vermeidet und gleichzeitig die Stromzufuhr zuverlässig unterbricht, bevor der Halbleiter zerstört wird. Überwachungsmechanismen der Steuerungssoftware, duale Strommessung und Normen für funktionale Sicherheit (ISO 26262, IEC 61508 usw.) sind ebenfalls in die Schaltung integriert.

5. Anwendungsbereiche

Feld	Eingang	Wandlung	Tatsächlicher Nutzen
Elektrofahrzeug/Schiene	Hochvoltbatterie, Oberleitung	DC/DC-Wandler Dreiphasenwechselrichter, Rückspeisung	Drehmomentregelung, Bereich, Rückspeisung

Solar/Speicher | PV, Batterie | MPPT, PCS, bidirektionaler DC/DC-Wandler | Netzanbindung, Lastspitzenverschiebung, Blindleistung |

Rechenzentrum | AC | PFC, isolierter DC/DC-Wandler, 48-V-Verteilung | Wirkungsgrad, Redundanz, Leistungsdichte |

Robotik | AC/DC | Servoverstärker, Zwischenkreis | Positions-/Geschwindigkeits-/Drehmomentregelung |

Industrieheizung | AC | Hochfrequenzwechselrichter | Induktionserwärmung, Temperaturregelung |

Haushaltsgeräte | AC/DC | Wechselrichter, Wandler | Energieeinsparung, geräuscharmer Betrieb, variable Drehzahl |

6. Ein Blick auf aktuelle Forschung

Die Forschung konzentriert sich nicht nur auf die Beschleunigung von Schaltern. Parallel dazu werden Fortschritte bei der Zuverlässigkeit und Kurzschlussfestigkeit von SiC-Gates, dem dynamischen Durchlasswiderstand von GaN, thermischen Pfaden in 3D-Leistungsmodulen, Hochfrequenzverlusten in magnetischen Materialien, prädiktiver Kompensation in der digitalen Steuerung und der Reduzierung von elektromagnetischen Störungen (EMI) bei Breitbandlückenbauelementen erzielt. Systemforschung ist ebenfalls wichtig – mehrphasige Interleaving-Verfahren, die Wandler modularisieren und so den Betrieb auch nach einem Ausfall aufrechterhalten, V2G zur Anbindung von Fahrzeugen an das Stromnetz, Gleichstromverteilung und drahtlose Energieübertragung.

Beim Lesen eines Wirkungsgraddiagramms sollten Sie nicht nur den Nennbetriebspunkt, sondern auch den Lastanteil, die Eingangsspannung, die Kühlbedingungen, die Schaltfrequenz und die Messbandbreite berücksichtigen. Derselbe Wert von 99 % bedeutet, dass bei einem 1-MW-Wechselrichter 100-mal mehr Wärme verloren geht als bei einem 1-kW-Netzteil. Bei der Produktauswahl ist es daher ratsam, dem gewichteten Durchschnittswirkungsgrad Vorrang vor dem tatsächlichen Lastprofil, der Lebensdauer, der Wartungsfreundlichkeit und den EMV-Testergebnissen zu geben, anstatt sich allein auf den Spitzenwirkungsgrad zu konzentrieren.

7. Zusammenfassung

Die Leistungselektronik zerlegt elektrische Energie in „Halbleiter ein/aus“, „Energiespeicherung in magnetischen Bauelementen“, „Glättung durch Kondensatoren“ und „Rückkopplung in der Steuerungssoftware“ und setzt diese zu der benötigten Spannung, dem benötigten Strom und der benötigten Frequenz zusammen. Das Auswendiglernen der Buck-Gleichung oder der PWM-Kennlinie ist nur der Einstieg – die Die endgültige Leistungsfähigkeit wird durch das Zusammenspiel von Verlusten, Wärmeentwicklung, Isolation, elektromagnetischen Störungen (EMI), Schutzmechanismen, Normen und Regelkreis-Timing bestimmt.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

Reicht die Minimierung des Einschaltwiderstands aus?

Leitungs- und Schaltverluste unterscheiden sich. Bewerten Sie Frequenz, Stromstärke, thermisches Verhalten, Regelung und EMI unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen.

Referenzen

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#Power Electronics #Inverters #PWM #SiC #GaN #Motor Drives