Dr. Ned Mohan lehrte seit 1975 an die University of Minnesota, wo er Oscar A. Schott Professor für Leistungselektroniksysteme und Morse-Alumni Distinguished Professor war. Er war ein Fellow des IEEE und Mitglied der National Academy of Engineering. Er war außerdem Regents Professor an der Universität von Minnesota und hat sechs Lehrbücher bei Wiley veröffentlicht.

Dr. Siddharth Raju ist Assistant Professor an der University of Minnesota, USA. Er ist der Gründer von Sciamble Corp, einem Startup-Unternehmen, das sich auf schnelle Echtzeit-Prototyping-Lösungen spezialisiert hat.

Hardwareimplementierung xv

Vorwort des Übersetzers xvii

Spezieller Dank xix

Vorwort xxi

Dank xxiii

Über die begleitende Website xxv

Der Übersetzer xxvii

1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie 1

1.1 Einführung in die Leistungselektronik 1

1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik 2

1.2.1 Stromversorgungen in der Informationstechnologie 2

1.2.2 Robotik und flexible Produktion 3

1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien 4

1.3.1 Energiesparmaßnahmen 4

1.3.1.1 Elektromotorisch betriebene Systeme 5

1.3.1.2 Beleuchtung mit LEDs 5

1.3.1.3 Transport und Verkehr 5

1.3.2 Erneuerbare Energien 6

1.3.3 Leistungselektronik in der Energieversorgung 7

1.3.4 Raumfahrt- und militärische Anwendungen 8

1.4 Effizienz und Leistungsdichte 8

1.5 Struktur von Wandlersystemen 9

1.5.1 Spannungszwischenkreise 10

1.5.2 Stromzwischenkreise 10

1.5.3 Direktwandler 11

1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis 12

1.6.1 Schaltwandler: Der Leistungsschalter als Grundbaustein 13

1.6.2 Pulsweitenmodulation (PWM) 14

1.6.3 Der Leistungsschalter im DC-DC-Abwärtswandler: Ein Beispiel 15

1.6.3.1 Realisierung des bistabilen Schalters in einem Abwärtswandler 16

1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen 17

1.8 Simulation und Hardware-Prototyping 18

literatur 19

Übungsbeispiele 19

2 Design des Leistungsschalters 25

2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden 25

2.2 Wahl der Leistungstransistoren 26

2.2.1 MOSFETs 26

2.2.2 IGBTs 28

2.2.3 Integrierte und intelligente Leistungsmodule 28

2.2.4 Kosten von MOSFETs und IGBTs 29

2.3 Wahl der Leistungsdioden 29

2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern 30

2.4.1 Einschaltverhalten 31

2.4.2 Ausschaltverhalten 33

2.4.3 Leistungsverluste im MOSFET 34

2.4.3.1 Leitverluste 34

2.4.3.2 Schaltverluste 34

2.4.4 Integrierte Gate-Treiber mit eingebauter Schutzschaltung 35

2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden 36

2.6 Dimensionierungskriterien 37

2.6.1 Schaltfrequenz 37

2.6.2 Auswahl von Transistoren und Dioden 38

2.6.3 Magnetische Komponenten 38

2.6.4 Kondensatoren 38

2.6.5 Thermisches Design 39

2.6.6 Designkompromisse 40

2.7 Der PWM-IC 40

2.8 Hardware-Prototyping 41

literatur 42

Übungsbeispiele 43

3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design 47

3.1 DC-DC-Wandler 47

3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb 48

3.3 Vereinfachende Annahmen 51

3.4 Allgemeines Betriebsprinzip 52

3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb 52

3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 56

3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb 57

3.6.1 Simulation und Hardware-Prototyping 62

3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb 64

3.7.1 Simulation und Hardware-Prototyping 68

3.7.2 Andere Inverswandler-Topologien 70

3.7.2.1 SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductor Converters) 70

3.7.2.2 uk-Wandler 71

3.8 Topologieauswahl 72

3.9 Worst-Case-Design 73

3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen 73

3.10.1 Simulation und Hardware-Prototyping 74

3.11 Verschachtelte Wandler 78

3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM 78

3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM 79

3.14 Bidirektionale Leistungsschalter 82

3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM) 83

3.15.1 Kritischer Lastzustand an der Grenze zwischen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Leitung 84

3.15.2 Abwärtswandler im stationären DCM-Zustand 85

3.15.3 Simulation und Hardware-Prototyping 86

3.15.3.1 Klingeln der Spannung am Leistungsschalter 87

3.15.4 Aufwärtswandler im stationären DCM-Zustand 88

3.15.5 Simulation und Hardware-Prototyping 89

3.15.6 Inverswandler im stationären DCM-Betrieb 91

3.15.7 Simulation und Hardware-Prototyping 92

3.15.8 Mittelwertdarstellung im CCM und DCM für die dynamische Analyse 93

literatur 94

Übungsbeispiele 95

Anhang 3A: Mittelwertmodell für den diskontinuierlichen Strommodus (dcm) 102

4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen 107

4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung 107

4.2 Regelungstheorie - Ein Überblick 108

4.2.1 Schleifenübertragungsfunktion G l (s) 109

4.2.2 Die Transitfrequenz f c 110

4.2.3 Phasen- und Verstärkungsreserve 110

4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion 111

4.3.1 Linearisierung des Pulsweitenmodulators 111

4.3.2 Linearisierung der Leistungsstufe von DC-DC-Wandlern im CCM 112

4.3.2.1 Verwendung Von Computersimulation Zur Bestimmung Von V O /dd 115

4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung 117

4.4.1 Das Schritt-für-Schritt-Verfahren 119

4.4.2 Simulation und Hardware-Prototyping 121

4.5 Spitzenstromregelung 126

4.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 130

4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM 134

Literatur 135

Übungsbeispiele 135

Anhang 4.A: Bode-Diagramme von Übertragungsfunktionen mit Polen und Nullstellen 137

Anhang 4.B: Übertragungsfunktionen im kontinuierlichen Strommodus (ccm) 140

Anhang 4.C: Herleitung der Parameter für die Übertragungsfunktionen der Regler 146

5 Netzgleichrichter mit Dioden 151

5.1 Einführung 151

5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor 152

5.2.1 Effektivwert von Strömen mit Oberwellen und der Klirrfaktor (thd) 152

5.2.1.1 Bestimmung von harmonischen Komponenten durch Fourier- Analyse 154

5.2.2 Verschiebungsfaktor (DPF) und Leistungsfaktor (PF) 156

5.2.3 Negative Auswirkungen des Klirrfaktors und eines schlechten Leistungsfaktors 158

5.2.3.1 Richtlinien zur Aufrechterhaltung der Stromqualität 158

5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz 160

5.4 Dioden-Brückengleichrichter 160

5.4.1 Einphasen-Brückengleichrichter 161

5.4.1.1 Zwischenkreis-Kondensator zur Reduktion der Welligkeit auf der Gleichspannungsseite 162

5.4.1.2 Auswirkungen von l s und c d auf die Signalformen und den Klirrfaktor 164

5.4.2 Simulation mit LTspice 164

5.4.3 Dreiphasen-Brückengleichrichter 165

5.4.3.1 Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators 166

5.4.4 Simulation mit LTspice 168

5.4.5 Vergleich von Einphasen- und Dreiphasengleichrichtern 169

5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen 169

5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss 169

literatur 170

Übungsbeispiele 170

6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers 173

6.1 Einführung 173

6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen 173

6.3 Regelung von PFCs 177

6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell 178

6.4.1 Übertragungsfunktion des PWM-Reglers 179

6.4.2 Übertragungsfunktion des Aufwärtswandlers in der Leistungsstufe 179

6.4.3 Entwurf der Übertragungsfunktion des Stromreglers 180

6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife 180

6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems 182

6.6.1 Entwurf der Stromregelschleife 182

6.6.2 Entwurf der Spannungsregelschleife 182

6.6.3 Simulationsergebnisse 183

6.7 Durchleitung der Eingangsspannung 184

6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs 184

literatur 185

Übungsbeispiele 185

Anhang 6.A 185

Anhang 6.B 186

7 Magnetische Kreise 189

7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss 189

7.2 Induktivität 190

7.2.1 Energiespeicherung in Magnetfeldern 191

7.3 Faradays Gesetz 192

7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten 193

7.4.1 Gegenseitige Induktivitäten 195

7.5 Transformatoren 195

7.5.1 Faradays Gesetz 195

7.5.2 Ampersches Gesetz 196

7.5.3 Transformator Ersatzschaltbild 197

literatur 198

Übungsbeispiele 198

8 DC-Schaltnetzteile 201

8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen 201

8.2 Bedarf an elektrischer Isolation 201

8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern 202

8.4 Sperrwandler 202

8.4.1 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM ohne Snubber 205

8.4.2 RCD-Snubber 207

8.4.2.1 Stationärer Betrieb des RCD-Snubber 208

8.4.2.2 Design eines RCD-Snubbers 210

8.4.3 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im CCM mit Snubberschaltung 212

8.4.4 Simulation und Hardware-Prototyping: Sperrwandler im DCM mit Snubberschaltung 214

8.5 Flusswandler 216

8.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping 218

8.5.2 Flusswandler mit zwei Schaltern 221

8.6 Vollbrückenwandler 222

8.6.1 PWM-Steuerung 223

8.6.2 PSM-Steuerung 223

8.6.2.1 Intervall DT s mit eingeschalteten Transistoren T 1 , T 2 224

8.6.2.2 Intervall (1/2 - D)T s : Alle Transistoren sind ausgeschaltet 224

8.6.3 Simulation und Hardware-Prototyping 226

8.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler 228

8.8 Praktische Überlegungen 229

literatur 229

Übungsbeispiele 229

9 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren 233

9.1 Einführung 233

9.2 Grundlagen des magnetischen Designs 233

9.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren 234

9.4...