Leistungselektronik
Eine Einführung
1. Auflage
Erschienen am 24. September 2025
Buch
Softcover
384 Seiten
978-3-527-35493-1 (ISBN)
Beschreibung
Leistungselektroniksysteme verstehen!
Das Buch bietet Studierenden der Elektrotechnik eine Einführung in die grundlegenden Konzepte der Leistungselektronik. Nach einem ausführlichen Einführungskapitel werden dann Themen wie Schaltnetzteile, Gleichstrom-Schaltwandler und Rückkopplungsregler behandelt.
Diodengleichrichter, Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur und Schaltnetzteile werden ebenfalls diskutiert. Spätere Kapitel befassen sich mit dem Soft-Switching in Gleichspannungswandlern, mit den Spannungs- und Stromanforderungen verschiedener Leistungsanwendungen, mit sinusförmigen Gleich- und Niederfrequenz-Wechselspannungen, mit Thyristorwandlern und mit der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen.
Im Buch finden die Leserinnen und Leser detaillierte Informationen über:
* Die Eigenschaften verschiedener Leistungshalbleiter, die in leistungselektronischen Systemen unverzichtbar sind, sowie deren Schaltverhalten
* Grundlagen verschiedener Wandler und deren Betrieb sowie grundlegende Konzepte für die Rückkopplungssteuerung, veranschaulicht anhand von geregelten Gleichspannungswandlern
* Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit magnetischen Schaltkreisen, um ein Verständnis für Spulen und Transformatoren zu entwickeln, die in der Leistungselektronik benötigt werden
* Probleme im Zusammenhang mit hartem Schalten und einige der praktischen Schaltungen, bei denen dieses Problem durch weiches Schalten minimiert werden kann
Das Buch bietet Studierenden der Elektrotechnik eine Einführung in die grundlegenden Konzepte der Leistungselektronik. Nach einem ausführlichen Einführungskapitel werden dann Themen wie Schaltnetzteile, Gleichstrom-Schaltwandler und Rückkopplungsregler behandelt.
Diodengleichrichter, Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur und Schaltnetzteile werden ebenfalls diskutiert. Spätere Kapitel befassen sich mit dem Soft-Switching in Gleichspannungswandlern, mit den Spannungs- und Stromanforderungen verschiedener Leistungsanwendungen, mit sinusförmigen Gleich- und Niederfrequenz-Wechselspannungen, mit Thyristorwandlern und mit der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen.
Im Buch finden die Leserinnen und Leser detaillierte Informationen über:
* Die Eigenschaften verschiedener Leistungshalbleiter, die in leistungselektronischen Systemen unverzichtbar sind, sowie deren Schaltverhalten
* Grundlagen verschiedener Wandler und deren Betrieb sowie grundlegende Konzepte für die Rückkopplungssteuerung, veranschaulicht anhand von geregelten Gleichspannungswandlern
* Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit magnetischen Schaltkreisen, um ein Verständnis für Spulen und Transformatoren zu entwickeln, die in der Leistungselektronik benötigt werden
* Probleme im Zusammenhang mit hartem Schalten und einige der praktischen Schaltungen, bei denen dieses Problem durch weiches Schalten minimiert werden kann
Weitere Details
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E-Book
08/2025
1. Auflage
Wiley-VCH
34,99 €
Als Download verfügbar
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Personen
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.
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.
Inhalt
1 Leistungselektronik: Eine Basistechnologie
1.1 Einführung in die Leistungselektronik
1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik
1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien
1.4 Effizienz und Leistungsdichte
1.5 Struktur von Wandlersystemen
1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis
1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen
1.8 Simulation und Hardware-Prototyping
2 Design des Leistungsschalters
2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden
2.2 Wahl der Leistungstransistoren
2.3 Wahl der Leistungsdioden
2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern
2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden
2.6 Dimensionierungskriterien
2.7 Der PWM-IC
2.8 Hardware-Prototyping
3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design
3.1 DC-DC-Wandler
3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb
3.3 Vereinfachende Annahmen
3.4 Allgemeines Betriebsprinzip
3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb
3.8 Topologieauswahl
3.9 Worst-Case-Design
3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen
3.11 Verschachtelte Wandler
3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM
3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM
3.14 Bidirektionale Leistungsschalter
3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM)
Anhang 3A: Mittelwertmodell für den diskontinuierlichen Strommodus (dcm) 1
4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen
4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung
4.2 Regelungstheorie - Ein Überblick
4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion
4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung
4.5 Spitzenstromregelung
4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM
Anhang 4.A: Bode-Diagramme von Übertragungsfunktionen mit Polen und Nullstellen
Anhang 4.B: Übertragungsfunktionen im kontinuierlichen Strommodus (ccm)
Anhang 4.C: Herleitung der Parameter für die Übertragungsfunktionen der Regler
5 Netzgleichrichter mit Dioden
5.1 Einführung
5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor
5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz
5.4 Dioden-Brückengleichrichter
5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen
5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss
6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers
6.1 Einführung
6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen
6.3 Regelung von PFCs
6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell
6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife
6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems
6.7 Durchleitung der Eingangsspannung
6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs
Anhang 6.A
Anhang 6.B
7 Magnetische Kreise
7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss
7.2 Induktivität
7.3 Faradays Gesetz
7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten
7.5 Transformatoren
8 DC-Schaltnetzteile
8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen
8.2 Bedarf an elektrischer Isolation
8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern
8.4 Sperrwandler
8.5 Flusswandler
8.6 Vollbrückenwandler
8.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler
8.8 Praktische Überlegungen
9 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren
9.1 Einführung
9.2 Grundlagen des magnetischen Designs
9.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren
9.4 Flächenprodukt-Methode
9.5 Entwurfsbeispiel für eine Spule
9.6 Entwurfsbeispiel eines Transformators für einen Vorwärtswandler
9.7 Thermische Überlegungen
10 Soft switching in DC-DC-Wandlern und Halbbrücken- Resonanzwandlern
10.1 Einführung
10.2 Harte Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
10.3 Weiche Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
11 Schaltnetzteile in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiesystemen
11.1 Einführung
11.2 Elektrische Antriebe
11.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
11.4 Schaltwandler in Versorgungsnetzen
12 Synthese von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen für Motoren, USV- und Energiesysteme
12.1 Einführung
12.2 Bidirektionale Leistungsschalter
12.3 Wandler für Gleichstrommotoren
12.4 Synthese von Niederfrequenz-Wechselstrom
12.5 Einphasige Wechselrichter
12.6 Dreiphasige Wechselrichter
12.7 Mehrstufige Schaltwandler
13 Thyristorwandler
13.1 Einführung
13.2 Thyristoren
13.3 Einphasige Thyristorwandler
13.4 Dreiphasige Vollbrücken-Thyristorwandler
13.5 Stromübertragungssysteme
14 Anwendungen der Leistungselektronik in der Netzversorgung
14.1 Einführung
14.2 Leistungsbauelemente und ihre Fähigkeiten
14.3 Kategorisierung von leistungselektronischen Systemen
14.4 Dezentrale Energieerzeugung
14.5 Elektronische Lasten
14.6 Lösungen für die Netzqualität
14.7 Anwendungen in Übertragungs- und Verteilungsnetzen
Index
1.1 Einführung in die Leistungselektronik
1.2 Anwendungen und die Rolle der Leistungselektronik
1.3 Leistungselektronik und erneuerbare Energien
1.4 Effizienz und Leistungsdichte
1.5 Struktur von Wandlersystemen
1.6 Der DC-Spannungszwischenkreis
1.7 Neueste Entwicklungen bei Wide Bandgap-Halbleiterbauelementen
1.8 Simulation und Hardware-Prototyping
2 Design des Leistungsschalters
2.1 Leistungstransistoren und Leistungsdioden
2.2 Wahl der Leistungstransistoren
2.3 Wahl der Leistungsdioden
2.4 Schaltcharakteristika und Leistungsverluste in Leistungsschaltern
2.5 Rechtfertigung der Annahme von idealen Schaltern und Dioden
2.6 Dimensionierungskriterien
2.7 Der PWM-IC
2.8 Hardware-Prototyping
3 DC-DC-Schaltwandler: Schaltanalyse, Topologieauswahl und Design
3.1 DC-DC-Wandler
3.2 Der Leistungsschalter im stationären Gleichstrombetrieb
3.3 Vereinfachende Annahmen
3.4 Allgemeines Betriebsprinzip
3.5 Abwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.5.1 Simulation und Hardware-Prototyping
3.6 Aufwärtswandler im stationären DC-Betrieb
3.7 Inverswandler im stationären DC-Betrieb
3.8 Topologieauswahl
3.9 Worst-Case-Design
3.10 Synchron gleichrichtende Abwärtswandler für sehr kleine Spannungen
3.11 Verschachtelte Wandler
3.12 Regelung von DC-DC-Wandlern durch PWM
3.13 Dynamische Mittelwertdarstellung von Wandlern im CCM
3.14 Bidirektionale Leistungsschalter
3.15 Diskontinuierlicher Strommodus (DCM)
Anhang 3A: Mittelwertmodell für den diskontinuierlichen Strommodus (dcm) 1
4 Entwurf von Rückkopplungsreglern in Schaltnetzteilen
4.1 Einführung und Ziele der Rückkopplungsregelung
4.2 Regelungstheorie - Ein Überblick
4.3 Linearisierung der verschiedenen Blöcke in der Übertragungsfunktion
4.4 Entwurf eines Rückkopplungsreglers mit Spannungsregelung
4.5 Spitzenstromregelung
4.6 Entwurf von Rückkopplungsreglern im DCM
Anhang 4.A: Bode-Diagramme von Übertragungsfunktionen mit Polen und Nullstellen
Anhang 4.B: Übertragungsfunktionen im kontinuierlichen Strommodus (ccm)
Anhang 4.C: Herleitung der Parameter für die Übertragungsfunktionen der Regler
5 Netzgleichrichter mit Dioden
5.1 Einführung
5.2 Verzerrung und Leistungsfaktor
5.3 Klassifizierung der Schnittstellen zum Stromnetz
5.4 Dioden-Brückengleichrichter
5.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Einschaltströmen
5.6 Benutzeranwendungen mit bidirektionalem Leistungsfluss
6 Leistungsfaktorkorrektur und Entwurf des Rückkopplungsreglers
6.1 Einführung
6.2 Betriebsprinzip von einphasigen PFC-Schaltungen
6.3 Regelung von PFCs
6.4 Entwurf der inneren Stromregelschleife im Mittelwertmodell
6.5 Entwurf der äußeren Spannungsregelschleife
6.6 Beispiel eines Einphasen-PFC-Systems
6.7 Durchleitung der Eingangsspannung
6.8 Andere Regelungsmethoden für PFCs
Anhang 6.A
Anhang 6.B
7 Magnetische Kreise
7.1 Amperewindungszahl und magnetischer Fluss
7.2 Induktivität
7.3 Faradays Gesetz
7.4 Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten
7.5 Transformatoren
8 DC-Schaltnetzteile
8.1 Anwendungen von DC-Schaltnetzteilen
8.2 Bedarf an elektrischer Isolation
8.3 Klassifizierung von transformatorisolierten DC-DC-Wandlern
8.4 Sperrwandler
8.5 Flusswandler
8.6 Vollbrückenwandler
8.7 Halbbrücken- und Gegentaktwandler
8.8 Praktische Überlegungen
9 Design von Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren
9.1 Einführung
9.2 Grundlagen des magnetischen Designs
9.3 Aufbau von Induktivitäten und Transformatoren
9.4 Flächenprodukt-Methode
9.5 Entwurfsbeispiel für eine Spule
9.6 Entwurfsbeispiel eines Transformators für einen Vorwärtswandler
9.7 Thermische Überlegungen
10 Soft switching in DC-DC-Wandlern und Halbbrücken- Resonanzwandlern
10.1 Einführung
10.2 Harte Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
10.3 Weiche Schaltvorgänge in Leistungsschaltern
11 Schaltnetzteile in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiesystemen
11.1 Einführung
11.2 Elektrische Antriebe
11.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
11.4 Schaltwandler in Versorgungsnetzen
12 Synthese von Gleichspannungen und niederfrequenten Wechselspannungen für Motoren, USV- und Energiesysteme
12.1 Einführung
12.2 Bidirektionale Leistungsschalter
12.3 Wandler für Gleichstrommotoren
12.4 Synthese von Niederfrequenz-Wechselstrom
12.5 Einphasige Wechselrichter
12.6 Dreiphasige Wechselrichter
12.7 Mehrstufige Schaltwandler
13 Thyristorwandler
13.1 Einführung
13.2 Thyristoren
13.3 Einphasige Thyristorwandler
13.4 Dreiphasige Vollbrücken-Thyristorwandler
13.5 Stromübertragungssysteme
14 Anwendungen der Leistungselektronik in der Netzversorgung
14.1 Einführung
14.2 Leistungsbauelemente und ihre Fähigkeiten
14.3 Kategorisierung von leistungselektronischen Systemen
14.4 Dezentrale Energieerzeugung
14.5 Elektronische Lasten
14.6 Lösungen für die Netzqualität
14.7 Anwendungen in Übertragungs- und Verteilungsnetzen
Index