A7 Leistungselektronik

Thema

Die Leistungselektronik befasst sich mit der Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie im großen Maßstab. Ihr grundlegendes Verfahren ist die Pulsweitenmodulation (PWM), die auch im Schaltnetzteilmodell beschrieben wird: Die mittlere effektive Spannung wird durch schnelles Verändern des Zeitanteils, in dem eine Quelle mit der Last verbunden ist, anstatt durch kontinuierliche Spannungsänderung gesteuert. Dies ist die Basis für Drehzahlregler von Motoren, Traktionssysteme in Elektrofahrzeugen und Wechselrichter, die Solarenergie in nutzbaren Wechselstrom umwandeln.

Der IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) ist derzeit der dominierende Leistungsschalter für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen, da er die Vorteile beider Welten vereint, die in diesem Katalog bereits separat beschrieben wurden: Er wird wie der im vorherigen Modell beschriebene MOSFET durch die Gate-Spannung gesteuert, weist aber wie der im anderen Modell beschriebene Bipolartransistor einen geringen Spannungsabfall im leitenden Zustand auf.

Die Energieverluste in einem solchen Leistungsschalter haben zwei unterschiedliche Ursachen: Leitungsverluste, die proportional zum Stromfluss im geschlossenen Zustand sind, und Schaltverluste, die bei jedem Ein- und Ausschalten auftreten und mit der Schaltfrequenz zunehmen – ein weiterer Aspekt des bereits im Schaltnetzteilmodell beschriebenen Zusammenhangs zwischen Frequenz und Verlusten. Bei niedrigen Frequenzen überwiegen die Leitungsverluste, bei hohen Frequenzen die Schaltverluste.

Dieses Modul, das mit der etablierten Pulsweitenmodulationstechnik beginnt, zeigt abschließend, dass die im Modell für fortgeschrittene Bauelemente beschriebenen Breitbandhalbleiter – Siliziumkarbid und Galliumnitrid – den Bau kompakterer, leichterer und effizienterer Wandler ermöglichen als solche auf Basis von herkömmlichem Silizium. Dies liegt genau daran, dass sie die durch diesen Zusammenhang bedingten hohen Spannungen und Frequenzen besser tolerieren und somit die Schlüsseltechnologie für Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge und die neueste Generation von Photovoltaik-Wechselrichtern darstellen.

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