strom 6 - ETH PES

Professur für Leistungselektronik
und Messtechnik
Leistungselektronik
Prof. Dr. J.W. Kolar
Einphasen-Gleichrichterschaltung mit sinusförmigem Eingangsstrom 6
Die Eingangsstufe eines Telekom-Stromversorgungsmoduls soll durch die in Fig.1 gezeigte Schaltung
realisiert werden. Das System bezieht damit netzfreundliche, sinusförmige Eingangsströme und kann
zudem weltweit, d.h. an unterschiedlichen Netzspannungen betrieben werden. Für den
Eingangsspannungsbereich folgt somit U1 = 90Vrms…270Vrms (Europa: 230Vrms), die
Ausgangsspannung wird stets auf Ud = 400V geregelt. Für eine nachfolgende Konverterstufe liegen
so, unabhängig von der jeweiligen Netzspannung, stets gleiche Verhältnisse vor.
uL
i'
L
U1
u’
U1 = 90Vrms …270Vrms
Ud = 400V
Pd = 3200W
fP = 50kHz
fNetz=50Hz.
iRd
DH
TH
Cd
+
Rd
Ud
Fig. 1ph.-PFC
Die Schaltfrequenz des Systems wird zu fP = 50kHz gewählt, die Ausgangsleistung betrage Pd =
3200W.
1. a) Berechnen Sie den minimalen Induktivitätswert L der Speicherdrossel für den die Schaltung
innerhalb der gesamten Netzperiode im kontinuierlichen Betrieb arbeitet.
b) Wie hoch ist die maximal auftretende, lokale Schwankung des Eingangsstromes innerhalb einer
Pulsperiode für U1 = 90V und U1 = 270V und wo tritt sie jeweils auf?
c) Wie hoch ist für U1 = 90V der auf eine Netzspannungshalbschwingung bezogene Mittelwert des
Transistorstromes? Wird der Leistungstransistor bei tiefer Eingangsspannung oder bei hoher
Eingangsspannung stärker belastet?
2. a) Welche Kapazität ist für den Ausgangskondensator vorzusehen, damit die Schwankung der
Ausgangsspannung (∆uCd,p-p) mit zweifache Netzfrequenz auf 5% von Ud beschränkt bleibt?
b) Wie hoch ist der im gegebenen
Kondensatorstromeffektivwert?
Eingangsspannungsbereich
maximal
auftretende
3. a) Tragen Sie in Beiblatt 1 für U1 = 230Vrms (unter Weglassung schaltfrequenter Schwankungen)
den Verlauf des Stromes in der Speicherdrossel i’, den Verlauf der Eingangsspannung des
Hochsetzstellers u’, sowie den Verlauf des lokalen Mittelwertes der Drosselspannung ūL ein.
b) Für welchen Stromspitzenwert ist die Speicherinduktivität auszulegen (U1 = 90Vrms…270Vrms)?
4. a) Wie hoch sind die Leitverluste des Konverters bei einer Eingangsspannung von U1rms = 230V,
wenn für die Dioden (die 4 Netzdioden und die Ausgangsdiode DH) eine konstante
(stromunabhängige) Flussspannung von UF = 1V und für den Leistungstransistor ein
Einschaltwiderstand von RDS(on) = 0.1Ω angenommen wird.
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b) Welche Wirkungsgradeinbusse des Konverters geht mit diesen Verlusten in erster Näherung
einher?
5. Aufgrund eines Netzfehlers sinkt die Netzspannung auf U1 = 75Vrms ab. Welche Leistung kann nun
noch geliefert werden, wenn der auf eine Netzhalbschwingung bezogene Mittelwert des
Transistorstromes den für U1rms = 90V spezifizierten Wert nicht überschreiten darf?
Hinweis: Der Lastwiderstand Rd sei dieser neuen Leistungssituation angepasst, d.h.: Ud sei
unverändert.
6. a) Welcher Spitzenwert des Netzstromes würde auftreten, wenn der Ausgangkondensator bei U1 =
270Vrms ohne Zwischenschaltung des Hochsetzstellers direkt an den Ausgang der Diodenbrücke
geschaltet werden würde?
b) Welcher Maximalwert und welcher Minimalwert der Ausgangsspannung würde dann auftreten?
Hinweis: Treffen Sie für die Lösung von 6a) und 6b) die Annahme, dass die Ausgangsbelastung
als Konstantstromquelle mit IRd = 8A angenähert wird.
Lösungen
1. a) L = 227.8 µH.
b) Für U1 = 90V ist ∆i’pp = 7.62 A bei einem Phasenwinkel der Netzspannung von 90° und 270°.
Für U1 = 270V ist ∆i’pp = 8.78 A bei einem Phasenwinkel der Netzspannung von 31.6°,
180° - 31.6°, 180° + 31.6° und 360° - 31.6°.
c) ITH,avg = 24A. Der Leistungstransistor wird bei tiefer Eingangsspannung stärker belastet.
2. a) Cd = 1.27 mF.
b) ICd, rms = 16.7A für U1 = 90V.
3. a) i’*min = 0A, i’*max = 19.68A; u’min = 0V, u’max = 325 V; uLmin = -1.41V, uLmax = 1.41V.
b) ÎL = 54.1A ( 50A + Rippel von 7.6A/2)
4. a) PDH = 39.05W
(Gesamtverluste an den Netzdioden: 25.05W, Verlust am Transistor: 6W, Verlust an der Ausgangsdiode: 8W)
b) ∆η = 1.22%
5. Ptot = 2526W
6. a) Î1 = 84.2A
b) Ud,max = 382V, Ud,min = 330V
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Beiblatt 1
Strom in der Eingangsinduktivität i′ *(t)
20
10
[A]
0
-10
-20
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0.016
0.018
0.02
0.018
0.02
Eingangsspannung des Hochsetzstellers u′ (t)
400
300
200
100
[V]
0
-100
-200
-300
-400
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Lokaler Mittelwert der Spannung an der Eingangsinduktivität uL(t)
4
3
2
[V]
1
0
-1
-2
-3
-4
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
[s]
0.012
0.014
0.016