Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Universität Stuttgart. Bild Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow
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- Fanny Glöckner
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1 niversität Stttgart Institt für Leistngselektronik nd lektrische Antriebe rof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielo K + K M M M K + M + I A D HC H? I J? I J 8 A H> H= K? D A H Bild -3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
2 z 3.. Fnktionsprinzip (an einem Beispiel) 3... Vereinfachende Annahmen Schaltng gemäß Bild -3. mit idealem ransformator idealen Ventilen nd const.; Betrachtng im elektrisch eingeschngenen Zstand Abkürzngen: Zeitliche Verläfe: L Z C L C = ; ω = ; = Zeitabschnitt : Zeitabschnitt : Beginn bei t = ; Ventile nd sind eingeschaltet (leitend). Anfangsbedingngen (t = ): i = ; = C C C sin ω t Z i = (a-3.) cosω C ( ) ( C ) = t (b-3.). Fnktionsbedingng: C i nde sobald i = ; nd beginnen bei ω t = π z sperren. Bei ω t = π gilt: ( ) ; i = =. C C Beginn bei t = ; Dioden D nd D sind leitend. Anfangsbedingngen (t = ): ; ( ) i = = C C 3 C sinω t Z i = (a-3.) 3 cos ω C ( ) ( C ) = + + t (b-3.). Fnktionsbedingng: C i 3 nde sobald i = ; D nd D beginnen bei ω t = π z sperren. Bei ω t = π gilt: ; 4 C C i = = +. Zeitabschnitt 3: Alle Ventile af der rimärseite stromlos; Daer ½. 3. Fnktionsbedingng: = 4 + C C Zeitabschnitt 4: spiegelbildlich z Zeitabschnitt Zeitabschnitt 5: spiegelbildlich z Zeitabschnitt Zeitabschnitt : Alle Ventile af der rimärseite stromlos; Daer ½. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
3 Im eingeschngenen Zstand gilt: = 4 + = C ω t = π C ω t = C C = C Damit im Zeitabschnitt anstelle (a-3.): + sinω t i = (3a-3.) Z anstelle (b-3.): C ( ) ( ) = + cosω t (3b-3.) Damit im Zeitabschnitt anstelle (a-3.): i Damit Fnktionsbedingngen : : 3: + ist erfüllt! sin ω t = (4a-3.) Z anstelle (b-3.): C ( ) ( ) = + + cosω t (4b-3.) ist mit rfüllng der 3. Fkt.-bed. ebenfalls erfüllt! mss eingehalten erden! (5-3.) Leistng Im Zeitabschnitt ird die nergie übertragen: t =π ω ( ) = i dt = Q = C + C t = Im Zeitabschnitt ird die nergie übertragen: t =π ω ( ) = i dt = Q = C C t = Im Zeitabschnitt 3 ird keine nergie übertragen: 3 =. Im Zeitabschnitt 4 ird die nergie 4 = übertragen Im Zeitabschnitt 5 ird die nergie 5 = übertragen Im Zeitabschnitt ird keine nergie übertragen: =. In jedem Schaltspiel der Daer π π π π = (-3.) ω ω ω ω ird die nergie übertragen: ( ) = = + = 8 C nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 3
4 Asgangsleistng steerbar über Zeitdaer 8 C = + 4π L C mit Aslegng eines Schaltnetzteils = = max = π Z (a-3.) (b-3.) Daten: Aslegngsziel: = 4V; = V...V; = W; f max = khz iˆ möglichst klein Z möglichst groß möglichst groß 3. Fnktionsbedingng (5-3.): = V min = 4 Leistng: = W mss ach noch bei min = V einstellbar sein (b-3.) f max = khz: mit (-3.) = = π Z min Z = Ω f = f = µs = 4π L C max = min Für Skizze: L = Z = 58µH min 4π min C = = 3 9nF 4π Z Betrieb mit = W bei = 3V mit (a-3.) = 3µs Bild -3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 4
5 K M M K + K I J Bild -3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 5
6 K K M M M M + I A D HC H I A D HC H? I J? I J 8 A H> H= K? D A H Bild 3-3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
7 3... Zm Vergleich: Gegentakt-DFW in Vollbrückenschaltng (as L ) Schaltng gemäß Bild 3-3. mit idealem ransformator idealen Ventilen nd const.; Betrachtng im elektrisch eingeschngenen Zstand. = ; I = I Zeitabschnitt : Ventile nd sind eingeschaltet (leitend); Daer ½ g. = ; = i I Zeitabschnitt : Ventile sind asgeschaltet; Daer ½. = ; i = Zeitabschnitt 3: Ventile nd sind eingeschaltet (leitend); Daer ½ g. = ; = i I Zeitabschnitt 4: Ventile sind asgeschaltet; Daer ½. = ; i = An L ist Mittelert der Spannng = : = g g + Leistng: g = I + g Aslegng eines Schaltnetzteils Daten: = 4V; = V...V; = W; f = khz Aslegngsziel: iˆ möglichst klein möglichst groß = 4V mss ach noch bei min = V einstellbar sein Für Skizze: Betrieb mit = W bei = 3V = W: I = 4A î = 5A f = khz: = 9µs g = 58µs Bild 4-3. = 8 nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
8 K M M K I J Bild 4-3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 8
9 3... Diskssion i Herkömmlicher DFW (3...) i ntscheidng für/gegen Schaltngsprinzip hängt ab von der geünschten lsfreqenz (f ) von der Betriebsspannng ( ) nd daras resltierend vom eingesetzten Leistngshalbleiter (IGB MOS-F Bipolartransistor). Z beachten: Verhalten bei verbracherseitigem Krzschlss nd bei verbracherseitigem Leerlaf. Resonanzkonverter (3...5) Bild 5-3. mschaltverlstleistng: Resonant schaltentlastete Wandler vorteilhaft. Strombeansprchng Drchlaßverlste: Resonant schaltentlastete Wandler benachteiligt. MV: Resonant schaltentlastete Wandler vorteilhaft. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 9
10 ? I J K I A D HC H. K + I A D HC H? I J 8 A H > H = K? D A H Bild -3. IN g i I I s µ t Bild -3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
11 ? I J K I A D HC H K + - K K K +. - K + K + -? I J - I A D HC H 8 A H > H = K? D A H Bild 3-3. z 3.. Fnktionsprinzip (an einem Beispiel) 3... Vereinfachende Annahmen Schaltng gemäß Bild 3-3. mit idealen Ventilen nd I const.; Betrachtng im elektrisch eingeschngenen Zstand; C = C = C ; 3... Abkürzngen Z L = ; ω = C L C ; Zeitliche Verläfe Zeitabschnitt : Beginn bei t = ; Ventil sei schon seit einiger Zeit eingeschaltet (leitend). = Anfangsbedingngen (t = ): i = ; = ; = ; C C Am nde der Betrachtng sind diese hier znächst angenommenen Anfangsbedingngen z überprüfen! i ( t ) = (a-3.) ( t ) = (b-3.) C ( ) C t = (c-3.) nde sobald asgeschaltet ird. Z diesem Zeitpnkt gilt: i = ; = ; = ; C C nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
12 Zeitabschnitt : Beginn bei t = ; Ventil asgeschaltet (sperrt). i = Anfangsbedingngen (t = ): i = ; = ; = ; C C i ( t ) = (a-3.) ( ) I t = + t C C I ( t ) = t C C nde sobald = bz. = ; C C DF beginnt bei t = = C z leiten. I Z diesem Zeitpnkt gilt: i = ; = ; = ; C C (b-3.) (c-3.) Zeitabschnitt 3: Beginn bei t = ; Ventil asgeschaltet (sperrt) D F leitet. i = Anfangsbedingngen (t = ): i = ; = ; = C C i ( t ) = (3a-3.) ( ) C t = (3b-3.) ( t ) = (3c-3.) C nde sobald eingeschaltet ird. Z diesem Zeitpnkt gilt: i = ; = ; = ; C C Zeitabschnitt 4: Beginn bei t = ; Ventil eingeschaltet (leitend). = Anfangsbedingngen (t = ): i = ; = ; = ; C C i ( t ) = sinω t (4a-3.) Z ( ω ) ( ) t = + cos t (4b-3.) C ( ) t = ( cos ω t C ) (4c-3.) nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt
13 nde sobald i = ; D beginnt bei ω t = π z sperren. Bei t = = π gilt: i = ; = ; = ; C ω C Dies entspricht den für Zeitabschnitt angenommenen Anfangsbedingngen Asgangsspannng Der über ein Schaltspiel der Daer = + (5a-3.) g mit gmin π = = nd (5b-3.) ω mit = = C min I gebildete Mittelert der Asgangsspannng beträgt: Für Skizze: t = = t = ( ) I = + + t g dt C + g = Zeitabschnitt 3 Zeitab-. 4 schnitte Zeitabschnitt = C g I Fnktionsbedingng = V; = 4 V; I = A; = 5ns C = 4nF = 3µs L = 438µH = 9µs = 55µs g π ω Z = 458Ω iˆ = 3 A (5c-3.) (-3.) (-3.) nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 3
14 K K + - K + - K K I J Bild 4-3. nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 4
15 3.3 Diskssion Die Klassifizierng der resonant schaltentlasteten Wandler erfolgt nach 3 Kriterien: hysikalische Größe die beim Schaltvorgang klein gehalten ird. (Spannng klein = Zero Voltage Sitching (ZVS); Strom klein = Zero Crrent Sitching (ZCS)) Art des Resonanzkreises (parallel; seriell; mltiresonant) Lage des Resonanzkreises (im Haptpfad nicht im Haptpfad). Begriffe: Qasi-resonant: Die resonanten lemente bis maximal. Ordnng liegen im Haptpfad. Kennzeichnend für qasi resonante Wandler ist dass der Resonanzkreis nr irksam ist enn ein leistngselektronischer Schalter (Diode IGB hyristor MOS- F Bipolartransistor) ein- bz. asgeschaltet ist. Dadrch gibt es immer Betriebszstände mit nd Betriebszstände ohne resonante Verläfe. Mlti-resonant: System mindestens 3. Ordnng; arasitäre L (z.b. Leitngsindktivität Streindktivität eines ransformators) nd parasitäre C (z.b. Sperrschichtkapazität eines Halbleiterventils) erden in die Fnktion der Schaltng einbezogen. Während aller Schaltphasen des Wandlers treten resonante Verläfe af. ransient-resonant: Resonanzkreis liegt nicht im Haptpfad. Oft ird ein zsätzliches ein- nd asschaltbares inegventil als Hilfsventil im Resonanzkreis benötigt m den ntlastngsvorgang z erreichen (ähnlich den bei hyristoren üblichen Löschkreisen). Merkmale der resonant schaltentlasteten Wandler: Stark redzierte mschaltverlstleistng gegenüber hart schaltenden Schaltngen. Hohe lsfreqenz möglich dadrch kompakte magnetische Bateile (Drosseln ransformatoren). inschränkngen in der Steerbarkeit drch die elektrischen Zeitkonstanten des Resonanzkreises (z.b. inhaltng von Mindestvereildaern afgrnd der eriodendaer der Resonanzschingng). Höhere Beansprchng der Ventile mit Strom (Scheitelert) bz. Spannng (Scheitelert). rmöglichen die Bereitstellng hoher plsförmiger Ströme (z.b. bei rozeßstromqellen). nterlagen zr Vorlesng Leistngselektronik Abschnitt 3. bis Abschnitt 3.3 Blatt 5
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