Leo - selbstgeführte Steuerungen
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| Wie sieht der Schaltplan eines Tiefsetzstellers aus? Beschreibe die Funktionalität. | T1 geschaltet --> positive Spannung an L1 und UA, sowie positiver Strom an L1 T2 ausgeschaltet --> Strom- und Spannungsrichtung ändern sich, da Strom nur noch durch Diode D1 fließen kann Drossel versucht Strom aufrecht zu erhalten und gibt Energie an die Last am UA ab. |
| Beschreibe die drei Schaltzustände die in selbstgeführten Schaltungen Anwendung finden. | Schalter aus: - Sperrströme und Sperrspannung ergeben proportionales Produkt von Verlusten --> oft vernachlässigbar klein Schalter an: - Stromfluss durch den Schalter und Flussspannung multipliziert ergeben die auftretenden Verluste --> signifikant Schalter schaltet gerade: - es liegt zugleich eine hohe Spannung (UFl) und ein hoher Stromfluss vor - treten nur während des Umschaltens für kurzen Zeitraum auf und die Summe der Verlust ist stark abhängig von der Schaltfrequenz (je häufiger geschaltet wird, desto häufiger kommt es zu Verlustspitzen) --> sehr hohe Verluste |
| Welchen Grundlegenden Schaltungsunterschied haben netzgeführte und selbstgeführte Stromrichter? | Selbstgeführte Wechselrichter arbeiten mit Halbleiterschaltern Netzgeführte mit ungesteuerten Dioden bzw. nur gesteuert einschaltbaren Thyristoren |
| Weshalb mussten wir beim Schaltverhalten von netzgeführten Stromrichtern im Schaltmoment keine gesonderten Maßnahmen treffen? | Es floß im Schaltmoment kein Strom mehr --> Strom bereits auf Null gesunken oder von anderem Thyristor übernommen. Die Glättungsdrosseln und Thyristoren wurden also nicht durch (Selbst-)Indunktionsspannung zusätzlich belastet Hohe Spannung im Abschlatmoment würden die Schalter in selbstgeführten Stromrichtern belasten. |
| Wozu dient die Diode eines Tiefsetzstellers? | Im Schaltmoment würden hohe Spannung induziert werden, die Schalter und Induktivitäten beschädigen könnten. Die Diode begrenzt die Selbstinduktionsspannung auf ein erträgliches Maß. Ermöglicht alternativen Stromweg im Sperrbetrieb des Schalters --> Strom der Induktivität am Ausgang kann über Diode fließen |
| Wozu dient ein Tiefsetzsteller? | Eingangsspannung UE (DC) wird in Rechteckspannung umgesetzt --> diese wird von LC-Tiefpass geglättet T1 on: L1 mit UE verbunden --> Strom fließt zur Last an UA und Drossel nimmt Energie auf T1 off: Drossel versucht Stromfluss aufrecht zu erhalten --> Drosselspannung und Drosselstrom sind gegensätzlich gepolt (im Vergleich zum On-Betrieb) --> Strom fließt über Diode --> Drossel gibt Energie an UA ab |
| Weshalb ist das einschalten einer induktiven Last unproblematisch? Welche Folgen hat das für das Schaltverhalten? | Strom im Einschaltmoment = 0 A Daher auch kaum Verlustleistung beim Einschalten |
| Weshalb ist der Abschaltmoment beim schalten induktiver Lasten deutlich problematischer als der Einschaltmoment? | On --> kein Stromfluss --> kaum Verlustleistung Off --> hohe Spannung und hoher Strom zugleich --> Produkt = Verlustleistung |
| Beschreibe die 6 Betriebszustände beim Schalten einer ohmsch-induktiven Last als Diagramm! Wie sieht das Diagramm graphisch aus? | 1. Transistor ist aus --> Ic/IL = 0; UBatt=Uce=komplette Versorgungsspannung 2. Transistor angeschaltet --> Uce sinkt auf geringe Flussspannung --> Stromfluss wird von Induktivität verhindert (bleibt sehr klein) --> kaum Verlustleistung 3. Transistor ist nun in Durchlassrichtung --> L1 lässt Strom ansteigen --> Strom erreicht letztlich Endwert IL --> Verlustleistung ergibt sich aus Ic (hoch) und Uce (klein) - 4. Schaltung befindet sich im Versorgungsbetrieb, d.h. Last wird bestromt 5. Transistor ausgeschaltet --> Strom IL wird durch Spule aufrecht erhalten --> Uce steigt --> Verlustleistungen sehr hoch --> Am Ende von 5 übernimmt Diode den Strom aus Induktivität --> Spg. auf Versorgungsspannung UBatt begrenzt --> Bauteile geschützt vor Selbstinduktion 6. Transistor ist aus --> UBatt = Uce --> Strom über Transistor (Ic) fällt, da Transistor rekombiniert --> Last wird von Spule versorgt --> Zustand 1 erreicht Wenn nun lange genug gewartet wird, sinkt Strom in der Drossel gegen 0 und der Zyklus kann wiederholt werden. Falls Energie in der Spule vor dem Wiedereinschalten = 0 --> lückender Betrieb |
| Weshalb entsteht bei realen Transistoren auch beim Einschaltbetrieb bei den meisten selbstgeführten Schaltungen eine hohe Verlustenergie? | Transistor muss Strom aus der Diode übernehmen |
| Beschreibe die 6 Betriebszustände beim Schalten einer ohmsch-induktiven Last als Diagramm, wenn der Strom der Spule nicht wieder auf 0 sinkt bevor der nächste Schaltvorgang gestartet wird! Wie sieht das Diagramm graphisch aus? | 1.Transistor wird ausgeschaltet --> über Uce steht noch Versorgungsspg. 1a. Transisotr wird eingeschaltet --> in L fließt noch Strom --> Transistor muss Strom übernehmen --> Ic steigt bis auf den noch in L fließenden Strom an --> T1 übernimmt Strom letztlich gänzlich (Diode sperrt) 2. Uce sinkt --> L drosselt Strom --> dieser bleibt also konstant --> Verlustleistung wegen des beträchtlichen Stroms groß (Unterschied zu idealem Schaltverhalten --> L leer) ab 3 identisch zu idealem Schaltverhalten |
| 1. Was wird im Bezug auf Schaltvorgänge zur Verlustleistungsminimierung angestrebt? 2. Wie verhält sich die Verlustleistung zur Schaltfrequenz? | 1. Schaltvorgänge so kurz wie möglich halten --> Energiemenge die als Verlust anfällt reduzieren 2. proportional |
| Fasse die Faktoren beim Schalten von Halbleitern, deren Bedeutung für die Gesamtverlustleistung und die wichtigsten Kenngrößen zusammen! | 1. Die Sperrverluste des Halbleiterschalters sollten möglichst klein sein. Dazu muss der Sperrstrom möglichst klein sein. Dies ist bei den heute verfügbaren Halbleiterschaltern recht gut erfüllt. 2. Die Leitverluste des Halbleiterschalters sollten möglichst klein sein. Diese kann abhängig von den gewählten Bauteilen mehr oder weniger gut erfüllt werden. In der Praxis stellen die Leitverluste einen deutlich größeren Anteil als die Sperrverluste dar. 3. Die Schaltverluste ergeben sich zu einem Teil aus den vom System vorgegebenen Größen: der Gleichspannung UD und dem Strom des eingeschalteten Schalters ION. Der andere Teil ist durch den Schalter und das Ansteuerverfahren gegeben: die Schaltzeiten tr und tf sowie die Schaltfrequenz fS. Die Schaltzeiten sind durch den Halbleiterschalter und ggf. durch seine Umgebung begrenzt. Die Schaltfrequenz kann in gewissen Grenzen frei gewählt werden. |
| Welche Forderungen gibt es für die Wahl der Schaltfrequenz bei Halbleitern in der Leo? | • Eine hohe Schaltfrequenz führt bei gleicher Signalqualität (Brummstrom/Spannung) zu kleineren Induktivitäten und Kapazitäten, also zu einer kleineren Baugröße und zu geringeren Systemkosten. • Eine hohe Schaltfrequenz erlaubt eine höhere Geschwindigkeit bei der Reaktion auf Abweichungen vom gewünschten Wert der Ausgangsspannung. • Eine niedrige Schaltfrequenz (unter 16..20kHz) kann zu hörbaren Störgeräuschen führen, die Menschen belästigt. • Einen niedrige Schaltfrequenz führt zu weniger Schaltverlusten. • Eine niedrige Schaltfrequenz kann die Filterung von Funkstörungen erleichtern. Die Störenergie ist proportional zur Schaltfrequenz. Die Wahl der Schaltfrequenz stellt also stets einen Kompromiss dar. Ein oft gewählter Kompromiss ist es, die Schaltfrequenz so zu wählen, dass die Leitverluste und die Schaltverluste etwa gleich groß sind. |
| Weshalb werden in der Leistungselektronik hauptsächlich n-Kanal FETs verwendet? | Elektronen in Silizium dreimal so beweglich wie Löcher --> etwa drei mal kleineren Widerstand im eingeschalteten Zustand als p-Kanal FETS |
| Beschreibe die Funktionsweise des N-Kanal MOSFETs. | Sperrzustand: Keine Spannung zwischen Gate und Source --> nicht leitend Sperrrichtung gepolte Sperrschicht zwischen Bulk und Drain verhindert Stromfluss Leitend: Wird jetzt eine positive Spannung an das Gate angelegt, so werden durch Influenz Elektronen im Bereich unterhalb des Gates freigesetzt. Die wirksame Dotierung polt sich dabei lokal um, es gibt jetzt einen durchgängigen n-leitenden Stromweg zwischen Source und Drain. Jetzt kann Strom zwischen Drain und Source fließen. Steuerung erfolgt nur durch ein elektrisches Feld, am Gate fließt also (statisch) kein Strom. Damit sich die wirksame Dotierung umpolt, muss eine bestimmte Spannung (ca. 1..4V) am Gate überschritten werden. Je höher die Gatespannung wird, um so breiter wird der n-leitende Kanal, der sich zwischen Source und Drain bildet. |
| Wie unterscheidet sich der p-Kanal MOSFET vom n-Kanal? | Alle Ströme, Spannungen und Dotierung sind gegensetzlicher Polarität |
| In welcher Schaltung wird der MOSFET in der Leistungselektronik hauptsächlich verwendet? | Source-Schaltung |
| Was entsteht schaltungslogisch bei einem leitenden MOSFET zwischen Source und Drain? Wie verhält sich dieses Schaltungselement? | Eine Diode: Sourcespg. positiver als Drain --> Flussrichtung |
| Welchen Nachteil hat der laterale MOSFET? | Die Anordnung der Anschlüsse nutzt die zur Verfügung stehende Chipfläche nur schlecht aus --> Sperrspannung ist ziemlich begrenzt |
| Beschreibe den Aufbau eines Trench MOSFETs. Welche Verbindungen haben Source und Bulk? Wie sind sie untereinander verbunden? | Source = n+ links und rechts vom Gate Bulk = p Source und Bulk sind durch Source-Metallisierung verbunden |
| Wozu wird die stark n-dotierte Schicht n+ im Trench MOSFET benötigt? | Notwendig bei höheren Sperrspannungen |
| Welchen entscheidenden Vorteil bitten Trench MOSFETs? | MOSFET-Zellen können durch den Aufbau nebeneinander angeordnet werden. Durch die Metallisierung als parallel geschaltet. --> Auf einem Chip eine große Anzahl von MOSFETs In Folge dessen können hohe Ströme bei niedrigem Widerstand realisiert werden. |
| Welches Bauteil ist in Bezug auf seine Schaltgeschwindigkeit allen anderen Bauteilen in der Leistungselektronik überlegen? Weshalb? | Der MOSFET hat die schnellste Schaltgeschwindigkeit: beim MOSFET handelt es sich um ein uninpolares Bauteil, bei dem es keine Minoritätslandungsträger gibt. Beim Schalten müssen also keine Ladungsträger abgebaut werden, was die Schaltzeiten deutlich erhöht |
| In welcher Größenordnung liegt der Gatestrom beim steuern eines MOSFETs? | Wird nur über Spannung gesteuert, es fließt kein Storm in das Gate. Um das Gate umzuladen wiederrum, wird Strom benötigt. Kennzahlen: 1. weniger Ampere pro Transistor 2. für ns-µs |
| Um welche Kenngröße handelt es sich beim Rdson? In welchem Bereich liegt diese bei High-End-MOSFETs? | Einschaltwiderstand (abhängig von Sperrspannung) Liegt inzwischen bei kleiner < 1mOhm (bildet sich hauptsächlich aus Widerstand der Anschlussdrähte) |
| In welchen Kategorien ist der MOSFET anderen Leistungsbauteilen nicht mehr überlegen? | Hohen Sperrspannungen, ca. > 200V --> durch dicke Sperrschicht und schwächere Dotierung, steigt Einschaltwiderstand quadratisch zur Sperrspannung Durch den steigenden Widerstand sind andere Bauteile in Bezug auf Leitverluste besser |
| Weshalb ist der IGBT im Bezug auf Leitverluste, bei hohen Spannungen dem FET überlegen? | Bipolares Bauteil --> Im Leitbetrieb wird die Sperrschicht von n und p dotierten Schichten mit Ladungsträger überflutet und damit sehr niederohmig --> Ladungsträgerdichte steigt mit dem Strom |
| Welche Nachteile hat die bipolare Struktur von IGBTs? | PN-Übergang --> Ladungsträgerabbau beim Sperren des Bauteils dauert eine Weile --> daraus ergibt sich eine deutlich größer Schaltzeit als beim FET und anfängliche erhöhte Sperrströme (Stromschweif) |
| Woraus setzt sich der IGBT zusammen? Welche Vorteile vereint er damit? | FET und Bipolartransistor (PNP) --> + leistungsarme Steuerung (FET) + hohe Sperrspannungen und viel Strom (Bi) |
| Was beschreibt der Begriff Soft Recovery? | Nachdem eine Diode umgepolt wurde müssen sich noch Ladungsträger in der Sperrschicht abbauen. Im Zeitpunkt in dem noch Ladungsträger in der Sperrschicht befindlich sind, kommt es bei Stromumpolung zu einer negativen Stromspitze. Sobald diese Spitze erreicht ist und die Diode sich erholt sinkt der Sperrstrom der Diode ab. Wenn dies stetig stattfindet spricht man von einer weichen Erholung oder Soft Recovery. |
| Weshalb sollte bei Freilaufdioden auf eine weiche Erholung geachtet werden? | Plötzlicher Stromabriss würde Kapazitäten und Induktivitäten im Stromkreis zum schwingen anregen. Folgen: --> Funkstörungen bei der Resonanzfrequenz der parasitären Schwingkreise im Stromkreis |
| Bei der Betrachtung von Leistungsdioden ist beim Einschalten auf ein besonderes Merkmal bezüglich der Spannung zu achten. Was ist das? Welche Dioden haben besonders gute Charakteristiken? | Im Einschaltmoment entsteht eine Spannungsspitze bis 1000V ist diese Spannungsspitze kaum vorhanden Bei sehr hohen Sperrspannungen müssen PIN-Dioden eingesetzt werden --> Überspannung kann 200-300V betragen |
| Welche Dioden eignen sich besonders gut als Freilaufdioden bei Stromrichtern mit niedrigen Spannungen (max. 50 -100V)? | Silizium-Schottkydioden --> kaum Sperrverzögerung (nur bis max. 100V technisch brauchbar) |
| Welche Dioden eignen sich besonders gut als Freilaufdioden bei Stromrichtern mit relativ hohen Spannungen (<1000V)? Welche Alternative gibt es auf dem Markt die noch bessere Charakteristiken aufweist? | Silizium PN-Dioden --> Problem weiche Erholung --> verbessert durch spezielle Dotierung Alternativ: Siliziumkarbid PN-Dioden --> sehr gutes Schaltverhalten --> deutlich teurer |
| Welche Dioden eignen sich besonders gut als Freilaufdioden bei Stromrichtern mit sehr hohen Spannungen (mehrere kV)? | Silizium PIN-Dioden: zwischen P und N intrinsich leitende Schicht --> erlaubt hohe Sperrspannungen |
| Weshalb kann beim Einsatz von FET's häufig auf eine Freilaufdiode verzichtet werden? | Interne Inversdiode kann als Freilaufdiode genutzt werden |
| Wie sehen die Spannungs- und Stromverläufe bei einem Stromrichter mit RL-Last aus? Sowohl Stromübernahme als auch Erholung der Freilaufdiode soll betrachtet werden! | 1. Transistor ist aus UBatt liegt an Uce an 1a. Transistor wird geschaltet --> In der L fließt noch Strom, T1 muss Strom aus D1 übernehmen 1b. Da Diode nicht sofort Sperrt steigt Strom weiter an --> sobald die Diode Sperrt sinkt Strom auf Niveau der Induktivität --> Transistor führt gesamten Strom Nach ausschalten des Transistors: 5. Spule hält Strom aufrecht, während Uce ansteigt --> Diode beginnt Strom aus Induktivität zu übernehmen 5a. Diode leitet voll und begrenzt Uce auf das Niveau von Ubatt |
| Wozu wird die B6-Schaltung verwendet? Woher hat sie ihren Namen? | Gleichrichten von Drehspannungen Pro Periode 6 Zündimpulse |
| Was gilt bzgl. der Gleichstrombelastung des Trafos bei der B6-Schaltung? | In beiden Halbwellen fließt Strom --> keine Gleichstrombelastung |
| Welche Stromflusswinkel hat die B6-Schaltung? | Ein drittel der Periodendauer --> 120° |
| Welchen Vorteil bietet die B6-Schalltung im Vergleich zu M2/B2? Wie entsteht dieser? | Oberwellenanteil geringer --> geringere Bauleistung des Tranfos Primärstrom des Trafos ist ein Rechteckstrom mit Lücke --> Strom fließt für 120° und die restlichen 60° fließt kein Strom --> Stromverlauf sinusähnlicher als beim M2/B2 Weiterer Vorteil --> kein Sternpunkt nötig --> Trafo kann ggf. eingespart werden |
| Welche Besonderheit hat die B6 und B6C Schaltung bzgl. ihrer Steuerung? | Es müssen zwei Dioden/Thyristoren gleichzeitig leiten, diese weißen unterschiedliche Zündzeitpunkte auf. --> zusätzliche Hilfszündimpulse, um 60° gegenüber dem Hauptimpuls verzögert, müssen an die Gates der Thyristoren gegeben werden. --> verhindern Stromlücken und Einschalten des Stromrichters |
| Wo ist der Bezug für den Steuerwinkel bei der B6-Schaltung? | Zeitpunkt der natürlichen Kommutierung |
| Welche Vorraussetzungen müssen erfüllt sein, das der Strom beim B6 nicht lückt? | Steuerwinkel kleiner 60° --> Momentanwert der gleichgerichteten Spannung ist stets positiv bei Gleichrichtbetrieb mit ausreichend großer (unendlicher) Glättungsinduktivität bei einem Steuerwinkel bis 90°, da hier der Mittelwert der Gleichspannung positiv bleibt bei Wechselrichterbetrieb (mit ausreichend großer Glättungsinduktivität) bis zum maximalen Steuerwinkel (180° - Schonzeit) , da hier auch bei negativen Gleichspannung Udiα noch Strom fließen kann, da dieser von der Gleichspannungsquelle geliefert wird |
| Wofür werden B12 und B18 Drehspannungsbrückengleichrichter eingesetzt? | Bei sehr großen Leistungen--> Oberschwingungen Filtern durch Saugkreis hat erheblichen Kostenaufwand günstiger --> zwei oder mehrere Trafos mit unterschiedlicher Phasenverschiebung verwenden und hinter jeden Trafo einen B6 schalten Resultat --> höhere Anzahl von Pulsen pro Periode --> aufgenommene Strom nähert sich Sinus an --> verbleibende Oberschwingungen sind leichter zu Filtern |
| Welche Oberwellen treten bei welchen Gleichrichtern auf? | M1: asymmetrische Belastung --> 2 Welle erzeugt Oberwelle im Netz M2 und B2: symmetrische Belastung --> pos. u. neg. Halbwelle belasten Netz --> erste Oberwelle ist die 3. Oberwelle --> nur ungeradezahlige Oberwellen Drehspannungen immer Pulsigkeit - 1: M3 --> 2. Oberwelle B6 --> 5. Oberwelle B18 --> 17. Oberwelle |