Kompaktes Grundlagenwissen zur Leistungselektronik: Gleichrichter, Wechselrichter, DC/DC-Wandler und Halbleiterbauelemente.
U_d = 0,9 × U_effGleichspannung bei Zweipuls-Brückengleichrichter
U_d = 1,35 × U_L-LGleichspannung bei Sechspuls-Brückengleichrichter
Die Leistungselektronik befasst sich mit der Umwandlung elektrischer Energie durch Halbleiterschalter. Im Gegensatz zur Signalverarbeitung arbeitet sie mit hohen Spannungen und Strömen.
Hauptaufgaben sind: Gleichrichten (AC→DC), Wechselrichten (DC→AC), Umformen (DC→DC) und Frequenzumformen (AC→AC). Moderne Antriebstechnik, Photovoltaik und Elektromobilität basieren auf leistungselektronischen Wandlern.
| Bauteil | Steuerung | Schaltfrequenz | Einsatz |
|---|---|---|---|
| Diode | Passiv | - | Gleichrichter |
| Thyristor (SCR) | Gate-Impuls | <1 kHz | Hochleistung |
| IGBT | Spannungsgesteuert | 1-50 kHz | Frequenzumrichter |
| MOSFET | Spannungsgesteuert | >100 kHz | DC/DC-Wandler |
| Typ | Pulszahl | U_d/U_eff | Rippel |
|---|---|---|---|
| Einweg (M1) | 1 | 0,45 | 121% |
| Brücke (B2) | 2 | 0,90 | 48% |
| Drehstrom (B6) | 6 | 1,35 × U_LL | 4,2% |
Glättung: ΔU = I_d / (f_r × C)
Wechselrichter wandeln DC in AC. Die Ausgangsspannung wird durch PWM (Pulsweitenmodulation) erzeugt:
| Typ | Verhältnis | Anwendung |
|---|---|---|
| Buck (Tiefsetzsteller) | U_out = D × U_in | LED-Treiber |
| Boost (Hochsetzsteller) | U_out = U_in / (1-D) | PV-Eingang |
| Flyback | Galvanisch getrennt | Netzteile |
Aufgabe
Welche DC-Spannung liefert ein B6-Gleichrichter an 400 V Drehstrom?
Lösung
540 V DC (idealisiert, ohne Diodenverluste)
Leistungselektronik – Zusammenfassung:
| Schaltung | Funktion | Bauteil |
|---|---|---|
| Gleichrichter | AC → DC | Diode, Thyristor |
| Wechselrichter | DC → AC | IGBT, MOSFET |
| DC/DC-Wandler | DC → DC | MOSFET, SiC |
Wichtig: THD unter 8% halten (EN 50160), Netzdrosseln bei Frequenzumrichtern einsetzen.
IGBTs sind für hohe Spannungen (>600 V) optimiert mit langsamerer Schaltgeschwindigkeit. MOSFETs eignen sich für hohe Frequenzen (>100 kHz) bei niedrigeren Spannungen.
Die Gleichrichter-Eingangsstufe zieht nicht-sinusförmigen Strom. Typische 6-Puls-Gleichrichtung erzeugt 5., 7., 11. und 13. Harmonische. Netzdrosseln und aktive Filter reduzieren diese.