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Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen (SimReg)5 ECTS (englische Bezeichnung: Simulation and Control of Switch-Mode Power Supplies)
Modulverantwortliche/r: Thomas Dürbaum Lehrende:
Thomas Dürbaum
Startsemester: |
SS 2020 | Dauer: |
1 Semester | Turnus: |
jährlich (SS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
Empfohlene Voraussetzungen:
Modul Leistungselektronik
Modul Schaltnetzteile
Inhalt:
Im ersten Teil der Vorlesung werden sowohl notwendige Grundlagen als auch mögliche Simulationsstrategien und Tools erläutert. Im Einzelnen wird auf folgende Punkte eingegangen:
Analytische Simulation von PWM-Konvertern
Simulation von PWM-Konvertern unter Zuhilfenahme von
gemittelten Schaltermodellen (ASM und ASIM)
Diskrete Modellierung von Schaltnetzteilen im Zustandsraum
(Discrete Modelling)
Detailbetrachtungen, Vergleich mit Hardware, Schaltverluste
Im zweiten Teil der Vorlesung werden mögliche Systemmodellierun-gen gezeigt, die Aufschluss über das Kleinsignalverhalten und damit die Anwendung von herkömmlichen regelungstechnischen Ansätzen erlauben. Der zweite Teil der Vorlesung gliedert sich wie folgt:
Anwendung von ASM und ASIM zur Bestimmung der
Kleinsignalübertragungsfunktion
Mittelung im Zustandsraum (State-Space-Averaging) zur
Bestimmung der Kleinsignalübertragungsfunktion
Regelung mit unterlagerter Stromregelung
Die Übung vertieft die in der Vorlesung erarbeiteten Methoden an zusätzlichen Beispielen und zeigt einige Simulationsbeispiele.
Lernziele und Kompetenzen:
Nach der Teilnahme an den Modulveranstaltungen sind die Studierenden in der Lage: • Schaltnetzteiltopologien auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu untersuchen,
• PWM Konverter stark idealisiert und auch unter Berücksichtigung parasitärer Widerstände zu analysieren,
• Mehraufwand und Nutzen detaillierterer Analysemethoden einzuschätzen,
• die einzelnen Schritte zur Erstellung gemittelter Schaltermodelle (ASM, ASIM) zu erläutern,
• PWM-Konverter mittels gemittelter Schaltermodelle zu analysieren,
• die Möglichkeiten der gemittelten Schaltermodelle während der verschiedenen Phasen bei der Entwicklung getakteter Stromversorgungen zu beurteilen,
• die Beschreibung linearer Netzwerke im Zustandsraum und deren Lösung zu erläutern,
• den Lösungsweg zur Analyse von Konvertern im Zustandsraum zu skizzieren,
• beliebige Konverter mit Hilfe der zeitdiskreten Modellierung im Zustandsraum zu analysieren,
• Anwendungsbeispiele für den Einsatz von Netzwerkanalyseprogramme (z.B. SPICE) im Bereich der Schaltnetzteilentwicklung zu benennen,
• Gültigkeit, Genauigkeit und Anwendbarkeit von Herstellermodellen kritisch zu hinterfragen,
• Aufwand, Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Simulationsmethoden im Bereich der Schaltnetzteiltechnologie zu bewerten,
• Sinn und Zweck der verschiedenen Kleinsignalübertragungsfunktionen zu beschreiben,
• den Begriff Kleinsignal im Zusammenhang mit Übertragungsfunktionen zu definieren und für konkrete Simulationen die Einhaltung der Kleinsignalbedingung zu überprüfen,
• Kleinsignalübertragungsfunktionen durch geeignete, dem jeweiligen Modell angepasste Simulationen (Zeit-/Frequenzbereich) zu bestimmen,
• Kleinsignalübertragungsfunktionen mittels der Methode der Mittelung im Zustandsraum für den kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb bestimmen,
• eine Möglichkeit zur messtechnischen Bestimmung Kleinsignalübertragungsfunktionen leistungselektronischer Konverter sowie die dafür benötigten Adapter und deren Anforderungen zu diskutieren,
• die verschiedenen Möglichkeiten Konverter zu regeln sowie deren Vor- und Nachteile zu bewerten,
• Vorteile einer unterlagerten Stromregelung zu erläutern sowie die Ursachen möglicher Instabilitäten und deren Vermeidung zu erklären, • notwendige Kennwerte für den eigenständigen Vergleich einer Vielfalt möglicher, auch bis dato dem Studierenden unbekannter Topologien auf verschiedenen Abstraktionsebenen auszuarbeiten und so neue leistungselektronische Systeme basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu gestalten,
• die erlernten Methoden für die Optimierung getakteter Stromversorgungen anzuwenden,
• die Ergebnisse der Optimierung im Hinblick auf die aufgestellten Kriterien zu gewichten und den geeigneten Kandidaten auszuwählen,
• die notwendigen Simulationen entlang des gesamten Entwicklungsprozesses leistungselektronischer Systeme zu konzipieren,
• neue leistungselektronische Systeme zu entwickeln und somit die Herstellung neuer Produkte mit zu gestalten.
Literatur:
Begleitende Arbeitsblätter und in diesen angegebene Literatur
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan: Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:
- Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2018w | TechFak | Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor of Science) | Studienrichtung Maschinenbau (Studienbeginn ab 01.10.2018) | Gesamtkonto | Technische Wahlmodule und Hochschulpraktikum | Technische Wahlmodule | Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen)
- Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2018w | TechFak | Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor of Science) | Studienrichtung Elektrotechnik (Studienbeginn ab 01.10.2018) | Gesamtkonto | Technische Wahlmodule und Hochschulpraktikum | Technische Wahlmodule | Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen)
Studien-/Prüfungsleistungen:
Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen_ (Prüfungsnummer: 64401)
(englischer Titel: Simulation and Control of Switch-Mode Power Supplies)
- Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet, 5 ECTS
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %
- Prüfungssprache: Deutsch
- Erstablegung: SS 2020, 1. Wdh.: WS 2020/2021, 2. Wdh.: SS 2021
1. Prüfer: | Thomas Dürbaum |
- Ort: Seminarraum 02.019, LEMF, Cauerstr. 7, 91058 Erlangen
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