Energieeffizienz Jeden einzelnen Block optimieren

»Eco Power«, »Green Electronics«, »Green Energy« - um diesen oft genannten Schlagwörtern gerecht zu werden, müssen Stromversorgungsentwickler letztlich alle einzelnen Blöcke einer Stromversorgung optimieren. Dabei bedienen sie sich moderner Bauelemente, neuer Topologien und innovativer Regelungs-methoden, um die Energie mit möglichst wenig Verlust vom Eingang zum Ausgang zu trans-ferieren.

Seit es Stromversorgungen gibt, optimieren deren Hersteller ihre Geräte und steigern deren Effizienz. Dies ist insofern sehr wichtig, da das Netzteil in der Regel das Herzstück im Eingangsteil einer Maschine oder eines elektrischen Systems bildet und damit direkt die Energieaufnahme des Gesamtgeräts bestimmt. Anfangs hatten Netzteilentwickler vor allem die Effizienz der Hauptwandlerstufe von der Primär- auf die Sekundärseite im Blick. Um deren Wirkungsgrad zu steigern, stehen verschiedene Topologien für verschiedene Leistungsbereiche zur Verfügung.

Während man bei kleinen Leistungen eher auf einfache und kostengünstige Sperrwandlerkonzepte zurückgreift, sind im mittleren Leistungssegment häufig Buck-Boost-Konverter zu sehen, bei höheren Leistungen haben hingegen Fluss- oder Vorwärtswandler ihre Vorteile. Um Energie noch effizienter zu wandeln, haben die Synchrongleichrichtung sowie Resonanz- und Quasiresonanzwandler-Topologien ebenso Einzug in die analoge Schaltnetzteiltechnik gehalten wie das Schalten im Nulldurchgang (Zero Voltage Switching). Diese analogen Prinzipien haben die Entwickler in den letzten Jahren verfeinert und weiter optimiert.

Immer bessere Halbleiter halfen, auch größere Leistungen schneller und mit weniger Verlusten zu schalten. Über das Erhöhen der Schaltfrequenz ließ sich der Wirkungsgrad noch weiter nach oben treiben. Gleichzeitig müssen aber das Bauvolumen und die Kosten für Filterung jederzeit vertretbar bleiben. Das Design muss weiterhin einem robusten Industrieeinsatz standhalten und darf nicht übersensibel reagieren oder zu störempfindlich werden, wenn das Netzteil zum Beispiel nahe einem Schweißroboter in einer Automatisierungsstraße steht.

Es gilt, auch die elektromagnetische Verträglichkeit und Langzeitstabilität im Auge zu behalten. Daher trifft man DC/DC-seitig immer öfter auf quasiresonante, sanft schaltende (Soft Switching) oder resonante Topologien. Neue Ferritmaterialien mit geringeren Verlusten, dreifach isolierte Drähte (Triple Insulated Wire, TIW), planare Magnetbauteile für niedrige Ausgangsspannungen und Vielschicht-Keramikkondensatoren für hohe Spannungen in kompakter Bauform haben auf der DC/DC-Seite Fortschritte gebracht.

Aktuell wird an der Einführung von extrudierten FIW-Drähten (Fully Insulated Wire) gearbeitet, um bei gleichen Isolationswerten in punkto Kompaktheit weiter voranzukommen. Auch Trafo-Sonderkonstruktionen findet man immer wieder, um die Kosten und Dimensionen gering zu halten. Auf der Eingangsseite der Netzteile  wurden die PFC-Topologien (Power Factor Correction) weiter in Richtung »Bridgeless PFC«, Buck-Boost oder mit variabler Ausgangsspannung (Line Follower) verfeinert.

Der Einsatz von Siliziumkarbid-Dioden (SiC) als nahezu perfekte Schaltdiode und die Einführung von Superjunction-MOSFETS, die bis zu 75% niedrigere Durchlasswiderstände bei 600 V haben als vergleichbare planare Typen, waren weitere Meilensteine, um die Schaltverluste zu verringern. Mit Überschreiten der Schwelle von etwa 90% Wirkungsgrad stieß die Verfeinerung und Optimierung der analogen Schaltnetzteiltechnik auf Basis besserer Komponenten langsam an physikalische Grenzen und man konnte sich nur noch in Zehntelprozentschritten weiter voranarbeiten.

Bei TDK-Lambda hat dies bereits in den Jahren 2006/7 dazu geführt, verstärkt über den Einsatz digitaler Steuerungsmethoden nachzudenken. Die Serie »NV175« (Ausgangsleistung 175 W) war die erste Stromversorgung des Herstellers, die im Produktnamen den »grünen Gedanken« offen darstellte: NV ist die Kurzform von »eNViro«.

»Digital Power« sprengt Grenzen

Bei der Migration zur nächsten Gerätegeneration »EFE« setzte TDK-Lambda erneut digitale Technologie ein. Es gelang, bei fast doppelter Leistung auf gleicher Grundfläche von 76,2 mm x 127 mm mit etwa 120 Bauteilen weniger auszukommen. Der Einsatz hochintegrierter Mikroprozessortechnik ermöglicht eine deutlich höhere Packungsdichte und eine Leistung von 300 W anstatt zuvor 175 W. Da deutlich weniger Komponenten zum Einsatz kommen, erhöht sich die Zuverlässigkeit, die sich in Form der MTBF ausdrücken lässt (Mean Time Between Failure, mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit). Konkret hat das NV175 eine MTBF von über 431  000 Stunden, beim EFE300 sind es jedoch über 1 001 882 Stunden, jeweils nach Telcordia (SR-332 Issue 1 Method I Case 3) bei +50°C Umgebungstemperatur. Dieser Unterschied ist vornehmlich darauf zurückzuführen, dass das EFE300 wesentlich weniger Komponenten hat als das NV175, denn die Ausfallwahrscheinlichkeit λ eines Systems, also der Kehrwert der MTBF, ist nach Gleichung (1) die Summe der Ausfallwahrscheinlichkeiten aller Komponenten.
(1) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mrow»«mi»S«/mi»«mo»,«/mo»«mi»i«/mi»«/mrow»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mi»MTBF«/mi»«/mfrac»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«munderover»«mi»§#931;«/mi»«mrow»«mi»i«/mi»«mo»=«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«mi»n«/mi»«/munderover»«msub»«mfenced»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mi»ref«/mi»«/msub»«/mfenced»«mi»i«/mi»«/msub»«/math»

Bild 1 zeigt die Zahl der Ausfälle über die Zeit; sie hat diese typische »Badewannenform«. Die digitale Regelung von Netzteilen bringt aber noch weitere Vorteile mit sich. Adaptive Regelung ist da ein Stichwort. Größter Vorteil ist, dass sich Wirkungsgrade nun auch abhängig von verschiedenen Lastbedingungen optimieren lassen. Während man in älteren Designs häufig eine gaußförmige Kurve des Wirkungsgrads über den Lastbereich von Leerlauf bis Volllast hatte (Glockenkurve mit relativ schmalem Gipfel und stark abfallenden Effizienzwerten unter 70% oder über 90 % der Nominallast des Netzteils), so ist nun eine relativ flache Wirkungsgradkurve auf sehr hohem Niveau realisierar.

Weiter wurden digitale Netzteile auch in Richtung Konvektionskühlung bei höherer Leistung optimiert. Im Jahr 2012 konnte TDK-Lambda das medizintechnisch zugelassene Netzgerät »CFE400M« präsentieren. Bis 300 W läuft es gänzlich mit Konvektionskühlung, bis 400 W mit wenig externem Luftstrom und einer kurzzeitigen Spitzenleistung (Peak Power) von 530 W. Der Einsatz eines einfachen, robusten und lange erprobten Mikrocontrollers ermöglichte es, die Effizienz bei Klein- und Teillasten weiter zu steigern. So schaltet das CFE400M bei unter 150 W eine Boost-Stufe weg und aktiviert bei kleinen Lasten unter 50 W einen PFC-Burst-Modus, sodass auch im unteren Lastbereich noch höhere Effizienzwerte erreicht werden. In der Spitze erreicht das CFE400M bis zu 94%.

Wichtig aber auch hier, dass es Effizienzwerte knapp an die 90% bereits ab 20% Last erzielt (Bild 2). Auch »Load Shedding«, also Last-abwurf bei Überlast, ist mithilfe der digitalen Technik realisierbar. Diese digitale Controller-Technik wurde im Kontext einer globalen Entwick-lungskooperation rund um die Welt in allen Entwicklungszentren implementiert.

So erreichen auch die Industrienetzteile der GWS250-Serie (Bild 3) schon bei Teillasten ab 20% über 85% Wirkungsgrad, zwischen 25% und 100% Nennlast bewegt man sich stets jenseits von 90% Wirkungsgrad. Damit liegt der Wert für die »Average Active Efficiency«, die sich als arithmetischer Mittelwert aus den Wirkungsgraden bei 25%, 50%, 75% und 100% der Nominallast errechnet, über dem von der ErP-Richtlinie geforderten Wert von 87%.

Die Spitzenwerte beim »GWS250« (250 W) ohne Lüfter reichen bis 93%, beim lüftergekühlten GWS500 (500 W) bis 90%. Das GWS-Netzgerät verwendet eine LLC-Topologie, die drei reaktive Elemente besitzt (zwei induktive, ein kapazitives) und auf zwei Resonanz-frequenzen arbeitet. Der hohe Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich ist für viele Anwender sehr hilfreich, weil zu Beginn einer Entwicklung selten die genauen endgültigen Lastbedingungen bekannt sind.

Es gibt Kunden, die ihre Gerätefamilien durch modulare Konzepte wirtschaftlich und wettbewerbsfähig halten. Sie erstellen einen Grundrahmen oder eine Basiskonfiguration, die später einen Ausbau, entsprechende Erweiterungen oder modulare Anbauten bis hin zu einer Maximalkonfiguration erlauben. So kann ein digital gesteuertes Netzgerät, das über einen weiten Lastbereich effizient arbeitet, unter Umständen mehrere Leistungsklassen früherer Netzteile ersetzen. Das kann weniger Entwicklungszyklen und eine deutliche Ersparnis bei den Entwicklungskosten wie auch bei den Entwicklungsressourcen bedeuten. Weniger Wärme, höhere Lebensdauer Maßgeblich für die Umwelt sind auch Faktoren wie Energieverbrauch im Leerlauf oder im Standby-Betrieb.

Das GWS250 wie auch das GWS500 erreichen hier ErP-konforme Stand-by-Leistungen von unter 0,5 W, wo früher in ähnlichen Leistungskate-gorien schnell mal 15 W, 20 W oder gar 30 W zu Buche schlugen. Diese Verbrauchsdifferenzen klingen zunächst relativ klein, summiert man aber die Anzahl der Maschinen pro Kunde und die Vielzahl der Anwendungen auf, in denen heute Schaltnetzteile eingesetzt werden, so ergibt sich doch ein relevanter Beitrag zur Verbesserung unserer Umwelt durch bessere Energieeffizienz.

Ein hoher Effizienzwert beim Netzgerät verringert darüber hinaus die thermische Belastung der umliegenden Baugruppen. Entsprechend wird ein System oder eine Maschine bei gleicher Nominallast deutlich kühler bleiben, was eine längere Lebensdauer und höhere Langzeitstabilität begünstigt. Es bleibt spannend zu beobachten, welche Tricks und Kniffe sich die Entwickler von Schaltnetzteilen weiterhin einfallen lassen werden, um für umweltfreundlichere und noch »grünere« Lösungen zu sorgen.

Erkennbar ist sicher ein Trend hin zu »smarten«, also »intelligenten« Netzgeräten, die sowohl die Eingangsbedingungen als auch die Ausgangs- oder Lastparameter bei ihrer Arbeit berücksichtigen. Im Hinblick auf einen möglichen Industrie-4.0-Ansatz werden wir vermutlich zunehmend Kommunikations- und Datenschnittstellen auch bei Netzgeräten sehen.

Über den Autor:

Peter R. Runz ist Market Development Manager bei TDK-Lambda Germany.