Was versteht man unter Leistungselektronik (Definition)?
Ein Teilgebiet der Elektrotechnik, dass sich mit der (möglichst verlustarmen) Umformung von elektrischer Energie unter Verwendung von elektronischen Schaltern befasst.
Skizzieren Sie die reale Strom-/Spannungskennlinie eines IGBT im eingeschalteten Zustand.
Vergleich IGBT vs. MOSFET mit gleichem Spannungs- und Stromrating:
Leitverluste: Welcher der beiden Halbleiter besitzt im Teillastbetrieb höhere Leitverluste (Begründung)?
aufgrund der ohm’schen widerstandscharakteristik des MOSFETs, weißt dieser insbesondere im Teillastbereich geringere Leitverluste auf.
IGBT vs MOSFET:
Schaltverluste: Welcher der beiden Halbleiter kann mit höherer Schaltfrequenz betrieben werden?
Mosfet: geringere Schaltverluste (und schnelleres Schalten)
IGBT muss beim Einschlaten zunächst Minoritätsladungsträger injezieren
Auschalten: Ausräumen von gespeicherten Ladungen aus der intrinsischen Schicht
IGBT vs MOSFET
Welcher der beiden Halbleiter besitzt eine intrinsische Freilaufdiode?
Der MOSFET
intrinsische Freilaufdiode in rückwärtsrichtung (aufgrund npn übergang)
c.) Können klassiche IGBTs in Rückwärtsrichtung Strom führen?
An und für sich keine intrinsische Freilaufdiode wie Mosfet allerdings:
Ja, da sehr geringe Sperrfähigkeit. Es gibt jedoch reverse blocking IGBTs, welche für high blocking voltages verwendet werden.
a.) Geben Sie eine Formel für den Mittelwert und Effektivwert des Stromes i(t) in Abhängigkeit von d und Ipk an.
b.) In einem vereinfachten Modell wird die Solarzelle als Konstantspannungsquelle modelliert. Wie groß ist die entnommene Leistung?
c.) Die Solarzelle wird mit einer Diode vor Verpolung geschützt, die in Serie zur Last geschalten ist. Geben Sie eine Formel für den Mittelwert der Verluste in der Diode an.
a.)
b.)
c.)
Bei einem Inverswandler entspricht die gewünschte Ausgangsspannung dem halben Wert der Eingangspannung.
a.) Welches Tastverhältnis ist für den kontinuierlichen Betrieb zu wählen?
b.) Würde diskontinuierliche Stromführung vorliegen, wie müsste das Tastverhältnis gewählt werden (größer, gleich/kleiner als bei kontinuierlicher Stromführung)?
b.) Bei hohen Tastvehältnissen -> höherer Mittelwert des Stroms -> geringerer Mittelwert der Ausgangsspannung (aufgrund konstanter Leistung) -> daher muss Tastverhältniss erhöht werden
(wenn doppelte Ausgangsspannung gefordert ist -> tastverhältnis reduziert werden)
Potentialgetrennte DC/DC Wandler:
a.) Zeichnen Sie die Grundstruktur eines Durchflusswandlers mit Entmagnetisierungswicklung auf und makieren Sie jeweils die Wicklungsanfänge.
b.) Geben Sie das Spannungsübersetzungsverhältnis als Funktion vom Tastverhältnis an. Ist das Übersetzungsverhältnis lastabhängig?
c.) Die Sperrspannung am Transistor ist größer/kleiner oder gleich der Eingangsspannung (Begründung) ?
Die Sperrspannung ist größer
mit zunehmender Einschaltdauer steigt der Strom, der von der Induktivität getrieben wird. Daher muss der Schalter mehr Strom führen.
Skizzieren Sie die (reale) Stom/Spannungschrakteristik eines MOSFETs im eingschalteten und ausgeschalteten Zustand.
Bis zu welcher Spannung können MOSFETs basierend auf Si-Material sinnvoll eingesetzt werden und warum (begründung)?
da Bandabstand zwischen Valenzband und Leitungsband zu gering, wodurch Mosfet bei Spannungen > 500V leitend wird.
Nennen Sie 2 Vorteile eines MOSFET gegenüber einem IGBT.
schnellere Schaltfrequnenzen
geringere Schaltverluste
Vorteile von IGBTs gegenüber MOSFEts:
niedrigerer Spannungsabfall in Durchlassrichtung
Sehr robust, hohe Überlasfähigkeit
hohe Sperrspannungen
Einphasen PFC:
a.) Zeichnen Sie die Grundstruktur eines Einphasen-PFC
b.) Welchen Wert haben der leistungsfaktor und der THD (Total Harmonic Distortion) für eine, für das Netz ideale PFC-Struktur.
Bei einem Tiefsetzsteller entspricht die gewünschte Ausgangsspannung einem Drittel der Eingangsspannung.
1) Welches Tastverhältnis für kontinuierlichen Betrieb
2) Besitzt die Topologie des TSS einen kontinuierlichen oder pulsförmigen Eingangsstrom?
2) pulsförmig weil Transitor am Eingang
Pin Diode:
1) Wodurch unterscheiden sich Leistungsdioden von Kleinsignaldioden? (2 Unterschiede)
2) Beschreiben sie in kurzen Worten den Effekt der Leitfähigkeitsmodulation
3) Was versteht man unter der Sperrverzugsladung Qrr (Reverse Recovery Charge)
1) Kleinsignaldioden haben einen pn-Übergang, Leistungsdioden haben zusätzlich eine wenig dotierte intrinsische (eigenleitende) Schicht (PiN = positive intrinsic negativ)
2) Anheben der Ladungsträgerdichte in der intrinsischen Schicht -> Enorme Erhöhung der Leitfähigkeit
3) Ladung aufgrund der verbleibenden Ladungsträger während der Sperrverzögerungszeit
1) Zeichnen sie die Grundstruktur eines Sperrwandlers auf und markieren sie dabei die Wicklungsanfänge
2) Geben sie das Spannungsübersetzungsverhältnis bei kontinuierlicher Magnetisierung an. Ist das Übersetzungsverhältnis lastabhängig?
3) Geben sie einen Ausdruck für die Sperrspannung am Transistor an (Einfluss der Streuinduktivität vernachlässigbar)
-> Lastunabhängig
a) Wirkleistung -> Grundschwingung
Blindleistung -> ungerade Harmonische (Formel einfügen)
b) cos betrachtet nur die Grundschwingung
Leistungsfaktor berücksichtigt Total Harmonic Distortion (Verzerrungsblindleistung)
c) Lamda = 1 ; EHD = 0
d) cos(phi) = 0 -> Lamda = 0
a) U2/U1 = 1/(1-d)
b) d = 1 ?
a) Ungerade Stromharmonische
b) Geradzahlige Spannungsharmonische
c) Ja, nur Blindleistungsfrei wenn phi = 0 oder 180 °
d) Induktive Blindleistung
e) Der Stromrichter kippt -> Aktuelle Phase bleibt leitend (keine korrekte Kommutierung); Id steigt stark an
a) Großer Bandabstand zwischen Valenz und Leitungsband -> Elektronen müssen eine größere Bandlücke überwinden. z.B SiC GaN Diamant
b)Höhere kritische Feldstärke -> Höhere Durchbruchspannung
Kleiner spezifischer Einschaltwiderstand
c) Mosfet
a) Siehe vorher
b) Aufgrund der Hochsetzsteller Struktur ist die Ausgangsspannung größer als die Netzspannung
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