Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen (SimReg)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Simulation and Control of Switch-Mode Power Supplies)
(Prüfungsordnungsmodul: Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen)

Lehrveranstaltungen:

• • Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen
    (Vorlesung, 2 SWS, Thomas Dürbaum, Mo, 14:15 - 17:45, Zoom-Webinar; Vorlesung und Übung finden als BLOCK statt.)
  • Übungen zu Simulation und Regelung von Schaltnetzteilen
    (Übung, 2 SWS, Jeremias Kaiser, Vorlesung und Übung finden als BLOCK statt.)

Empfohlene Voraussetzungen:

Modul Leistungselektronik
Modul Schaltnetzteile

Inhalt:

Im ersten Teil des Moduls 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 des Moduls werden mögliche Systemmodellierungen gezeigt, die Aufschluss über das Kleinsignalverhalten und damit die Anwendung von herkömmlichen regelungstechnischen Ansätzen erlauben.

Der zweite Teil des Moduls 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
  

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:

1. Berufspädagogik Technik (Master of Education)
   (Po-Vers. 2020w | TechFak | Berufspädagogik Technik (Master of Education) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | 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 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022, 2. Wdh.: SS 2022

1. Prüfer:

Thomas Dürbaum

Ort: Seminarraum 02.019, LEMF, Cauerstr. 7, 91058 Erlangen