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Skript der Vorlesung...

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Leistungselektronik 2 (Power Electronics 2) Prof. Dr. Götz Lipphardt Fakultät für Elektrotechnik Hochschule Mannheim [email protected] Rev. L - SS 2018

II

Vorwort Vor Ihnen liegt das Skriptum zur Lehrveranstaltung „Leistungselektronik 2“ (LE2), Wahlmodul für Studierende der Bachelorstudiengänge Energietechnik und erneuerbare Energien (EB/EBE) und Automatisierungstechnik (UB/UBE) an der Hochschule Mannheim. Die Lehrveranstaltung ist laut Curriculum für das sechste Semester vorgesehen und umfasst 4 SWS. Die Lehrveranstaltungen kann ggf. in anderen Studiengängen als Wahlfach zugelassen sein. Sie besteht aus Vorlesungen, Übungen sowie Labor. Die erfolgreiche Teilnahme am Labor ist Voraussetzung zur Zulassung zur Prüfung. Das Skript besteht aus den Teilen einführender Überblick (Kap. 0), Einführung in die Leistungselektronik (Kap. 1), Überblick über Leistungshalbleiter (Kap. 2), Gleichstromsteller (Kap. 3) und Schaltnetzteile zur Gleichstromversorgung (Kap. 4) und Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) (Kap. 5.2.5). Es entspricht in seiner Struktur dem Aufbau der Vorlesung, wobei die Reihenfolge der Behandlung der einzelnen Themen variieren kann. Das Skript erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und wird ggf ergänzt bzw. korrigiert. Maßgebend ist die gehaltene Vorlesung. Fehler, Unstimmigkeiten etc. bitte - am besten per Email - an den Autor - danke! Literaturhinweis: Ergänzende und weiterführende Informationen zu den Themen der Vorlesung können [5] (Signatur1 EII1430 / eBook), [2] (Signatur E II 1551 / eBook) und [3] (Signatur EII729) entnommen werden.

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Die angegebenen Signaturen bezeichnen den Standort der genannten Fachbücher in der Bibliothek der HS Mannheim.

©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 0 Überblick über die Vorlesung

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1 Einführung in die Leistungselektronik

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2 Überblick über Leistungshalbleiter 2.1 Ideale Schalter verglichen mit realen Schaltern . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Übersicht über reale Leistungshalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Stationäres Verhalten realer Leistungshalbleiter . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Dynamisches Verhalten realer Leistungshalbleiter . . . . . . . . . . 2.2.3 Leistungs- und Frequenzbereich abschaltbarer Bauelemente . . . .

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3 Gleichstromsteller 3.1 Steuerung und Regelung der Ausgangsgleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Betriebsarten von Gleichstromstellern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Einquadranten-Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Zweiquadrantensteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Zusammenfassung: Schaltzustände beim Zweiquadrantensteller . . . . . . . 3.5 Vierquadrantensteller (Full Bridge dc-dc Converter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Vierquadrantensteller als Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Zusammenfassung: Schaltzustände beim Vierquadrantensteller . . . . . . . . 3.5.3 Vierquadrantensteller als netzfreundlicher Gleichrichter . . . . . . . . . . . .

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4 Schaltnetzteile zur Gleichstromversorgung 4.1 Überblick über Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Lineare Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Schaltnetzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Einführung in Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung (Isolation, Potenzialtrennung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Sperrwandler (Flyback converter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Durchflusswandler (Forward converter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Zweipulsige Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 PWM beim Gegentaktwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Gegentaktwandler (Push-pull converter) mit primär- und sekundärseitiger Mittelpunktschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Gegentaktwandler mit primärseitiger Vollbrückenschaltung . . . . . . . . . . 4.3 Regelung von Schaltnetzteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Voltage-Mode-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Current-mode-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Vergleich zwischen Voltage-mode-Regelung und Current-mode-Regelung . . 4.3.4 Dimensionierung des Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Beispiel eines Schaltregler-ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Isolation im Rückkopplungszweig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Leistungsfaktorregelung (Power factor control - PFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Regelung der PFC-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Berechnung der Wickelgüter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Berechnung von Speicherdrosseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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INHALTSVERZEICHNIS

4.5.2 Berechnung von Hochfrequenztransformatoren für Durchfluss- und Gegentaktwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Berechnung des Transformators beim Sperrwandler . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 Mechanischer Aufbau von Wickelgütern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5 Datenblattangaben von Ferriten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6 Hilfsmittel zur Auslegung von Wickelgütern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7 Auslegungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Störabstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Leitungsgebundene Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72 75 77 78 78 78 81 83 84 84

5 Wechsel- und Drehspannungsversorgungen 5.1 Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Erzeugung einer Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Einphasiger spannungseinprägender Wechselrichter (4QS) . . . . . . . . . . . 5.1.3 Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter (UWR) . . . . . . . . . . 5.2 Anwendungen spannungseinprägender Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Netzanschluss einer Photovoltaik (PV)-Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Netzanschluss einer Windkraftanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Flexible ACTransmission Systems, FACTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Klassifizierung der USV nach EN 50091-3/IEC 62040-3 . . . . . . . . . . . . . .

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Literatur

©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

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Abbildungsverzeichnis

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Abbildungsverzeichnis 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23

Grundfunktionen der Leistungselektronik: Umformungen der elektrischen Energie . Einordnung eines leistungselektronischen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vier-Quadranten-Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendung der Leistungselektronik: Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umformungen der elektrischen Energie in einem Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . Idealer gerichteter Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Idealer und realer (Halbleiter)Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht über reale Leistungshalbleiter I: Diode, Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht über reale Leistungshalbleiter II: MOSFET, IGBT (gerichtete Schalter) . . . Grenzdaten von steuerbaren Leistungshalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einordnung Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstromsteller in der Anwendung Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungssteuerung beim Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PWM beim Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom-Zweipunktregelung beim Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr . . . . . . Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr bei bipolarem Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr bei unipolarem Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vierquadrantensteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim Vierquadrantensteller bei bipolarem Schalten . . . . . . Strom und Spannung beim Vierquadrantensteller bei unipolarem Schalten . . . . . Vierquadrantensteller als netzfreundlicher Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung des Vierquadrantenstellers beim Betrieb als netzfreundlicher Gleichrichter Linear geregeltes Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltnetzteil mit mehreren Ausgangsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pulsweitenmodulation bei zweipulsigen Wandlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einpuls-Sperrwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim Einpuls-Sperrwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperrwandler mit Entlastungsnetzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperrwandler: Eingangsstrom bei Nennbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperrwandler mit mehreren Ausgangsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einpuls-Durchflusswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim idealisierten Einpuls-Durchflusswandler . . . . . . . . . Strom und Spannung beim realistischen Einpuls-Durchflusswandler . . . . . . . . . Einpuls-Durchflusswandler mit zwei Schaltern (Halbbrücken-Durchflusswandler) . Gegentaktwandler mit Zweipunkt-Mittelpunktschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . Strom und Spannung beim Gegentaktwandler mit Mittelpunktschaltung . . . . . . . Strom und Spannung beim Gegentaktwandler mit Vollbrückenschaltung . . . . . . . Gegentaktwandler mit primär- und sekundärseitiger Vollbrückenschaltung . . . . . Blockschaltbild des Regelkreises eines Schaltnetzteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . Voltage-Mode-Regelung am Beispiel des Hochsetzstellers . . . . . . . . . . . . . . . . Current-Mode-Regelung am Beispiel des Hochsetzstellers . . . . . . . . . . . . . . . . Varianten der Current-Mode-Regelung beim Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . . . . Slope Compensation bei der Current-Mode-Regelung beim Schaltnetzteil . . . . . .

©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

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VI

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 4.38 4.39 4.40 4.41 4.42 4.43 4.44 4.45 4.46 4.47 4.48 4.49 4.50 4.51 4.52 4.53 4.54 4.55 4.56 4.57 4.58 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

Vereinfachte Blockschaltbilder der Regelung beim Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . Blockschaltbild eines Current Mode PWM Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungsbeispiel zum Current Mode PWM Controller UC1846 . . . . . . . . . . . . Elektrische Isolation im Rückkopplungszweig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Isolation im Rückkopplungszweig mittels Optokoppler I . . . . . . . . . . Elektrische Isolation im Rückkopplungszweig mittels Optokoppler II . . . . . . . . . Schaltregler-IC mit Amplitudenmodulator im Rückkopplungszweig . . . . . . . . . . Ungesteuerte Zweipuls-Brückenschaltung mit ohmsch-kapazitiver Last . . . . . . . Systemgrößen der ungesteuerten Zweipuls-Brückenschaltung mit ohmsch-kapazitiver Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B2-Schaltung als Gleichrichter mit PFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitverläufe bei der B2-Schaltung als Gleichrichter mit PFC . . . . . . . . . . . . . . . Regelung der PFC-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blockschaltbild eines PFC-Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blockschaltbild einer PFC-Schaltung unter Verwendung eines PFC-Controllers . . . Speicherdrossel mit ihren magnetischen und mechanischen Größen . . . . . . . . . Spannungen und Ströme am Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsspannung und magnetische Flussdichte am Transformator . . . . . . . . . Zeitverlauf der magnetischen Flussdichte am Transformator . . . . . . . . . . . . . . Wicklungsaufbau und magnetische Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konventioneller Wicklungsaufbau im Vergleich zu einem Planartransformator . . . Beispiel des mechanischen Aufbaus der Speicherdrossel bzw. des HF-Trafos . . . . . Querschnitt eines Aufbaus einer Spule mit Doppel-E-Kern, Spulenkörper und Joch . Mindestluftstrecke bei einem Trafo zur Potenzialtrennung . . . . . . . . . . . . . . . . Datenblattauszug eines ETD-Ferritkerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenblattauszug eines Spulenkörpers für einen ETD-Ferritkerns . . . . . . . . . . . Ersatzschaltbild eines realen Kondensators: a) vollständig, b) vereinfacht . . . . . . . Aufbau von Kondensatoren: a) Metallpapierkondensator, b) Elektrolytkondensator . Datenblattauszug eines Elektrolytkondensators: a) Technische Daten, b) Lebensdauer, c) ESR (Quelle: Epcos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetische Verträglichkeit: Kopplungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funkstörspannungen am einphasigen Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verminderung der asymmetrischen Funkstörspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . Stromkompensierte Ringkerndrossel zur Verminderung asymmetrischer Störspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verminderung der symmetrischen Funkstörspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . Nicht-stromkompensierte Ringkerndrossel zur Verminderung symmetrischer Störspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vollständiges Entstörfilter zur Verminderung der symmetrischen und asymmetrischen Funkstörspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrichter mit netz- und maschinenseitigem UWR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselrichterzweig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselrichterzweig: Grundfrequenztaktung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselrichterzweig: Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsverstellung beim spannungseinprägenden Wechselrichter . . . . . . . . . Einphasiger spannungseinprägender Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter: Grundfrequenztaktung . . . Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter: Pulsweitenmodulation . . . . Raumzeiger eines symmetrischen Drehspannungssystems . . . . . . . . . . . . . . . Raumzeigerdarstellung dreisträngiger Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ABBILDUNGSVERZEICHNIS

5.12 Raumzeigerdarstellung in rechtwinkeligen Koordinatensystemen . . . . . . . . . . . 5.13 Spannungsraumzeiger des dreiphasigen spannungseinprägenden Wechselrichters . 5.14 Erzeugung eines Spannungsraumzeigers beim dreiphasigen spannungseinprägenden Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.15 Einphasiges Ersatzschaltbild eines dreiphasigen spannungseinprägenden Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.16 Leistungs-Spannungs-Kennlinie eines PV-Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.17 Konzepte für Photovoltaik-Anlagen I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.18 Konzepte für PV-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.19 Energieumformungsstufen einer Windenergieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.20 Leistungs-Drehzahl-Diagramm einer Windturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.21 Konzepte für Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.22 HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern und Thyristoren (HVDC Classic) . . . . . . . 5.23 HGÜ mit selbstgeführten Stromrichtern und IGBTs (HVDC Light) . . . . . . . . . . . 5.24 Überblick über FACTS-Betriebsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.25 Zuordnung der FACTS-Betriebsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.26 Struktur einer USV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.27 Klassifizierung der USV nach EN 50091-3/IEC 62040-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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VIII

TABELLENVERZEICHNIS

Tabellenverzeichnis 1.1 2.1 3.1 4.1 5.1

Typische Anwendungsgebiete der Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Typische Schaltfrequenzen bei Leistungshalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Schaltzustände bei Zwei- und Vierquadrantenstellern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 ...