Traco Power Netzgeräte – wohin die Zukunft führt

AC/DC-Schaltnetzteil auf Europakarte aus dem Jahre 1977: 80 Watt (Format 160 x 100 mm, Abbildung ohne Netztransformator)
AC/DC-Schaltnetzteil auf Europakarte aus dem Jahre 1977: 80 Watt (Format 160 x 100 mm, Abbildung ohne Netztransformator)

Auch in Zukunft geht der Trend bei den Netzgeräten zu moderater Verkleinerung und die Leistungsdichte wird weiter steigen, aber nicht mehr in dem Maße, wie dies in den letzten Jahren der Fall war. Zum begrenzenden Faktor wird immer stärker die abzuführende Verlustleistung.

Über die letzten 40 Jahre trieb die Entwicklung immer schnellerer Halbleiterschalter die Evolution des Netzgerätes vom 50-Hz-Trafo zum Hochfrequenz-Schaltnetzteil voran. Dabei ging die Entwicklung von den relativ langsam schaltenden Thyristoren zu bipolaren Transistoren, erst mit kleiner Sperrspannung und später auch mit hohen Sperrspannungen. Schaltfrequenzen bis in den Bereich von 60 kHz ließen sich damit gut realisieren. In den 1980er Jahren waren dann die Feldeffekt-Transistoren technisch ausgereift und mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis am Markt verfügbar.

Mit ihnen ließen sich die Schaltfrequenzen noch einmal auf einige hundert kHz erhöhen. Natürlich war die ständige Erhöhung der Schaltfrequenz bei Netzgeräten kein Selbstzweck; sie führt wegen der physikalischen Eigenschaften des Magnetismus zu immer kleineren Transformatoren und dadurch wesentlich kleineren Bauformen der Netzgeräte. 

Transformatoren waren nötig, um zum einen eine Isolierung von der gefährlichen Netzspannung zu erreichen und zum anderen die Höhe der Ausgangsspannung an den Verbraucher anzupassen. Mit höherer Schaltfrequenz steigen jedoch die Schaltverluste. Dies steht einer Verkleinerung der Bauform entgegen, wenn nicht zusätzliche Kühlmethoden zum Einsatz kommen. Aus diesem Grunde kommen heute komplexere Schaltungs-Topologien zum Einsatz, bei denen die Schaltelemente entweder im spannungs- oder im stromfreien Zustand ein- und ausgeschaltet werden. 

Ist dies aus schaltungstechnischen Gründen nicht möglich, werden heute auch sehr schnell schaltende Galliumnitrid- oder Siliziumkarbid-Schaltelemente für Dioden und Transistoren eingesetzt. Diese Komponenten sind im Vergleich zur MOSFET-Technologie noch relativ teuer, die Preise entwickeln sich aber langsam nach unten und eignen sich damit auch immer mehr zur industriellen Verwendung. Die mit einer weiteren Erhöhung der Schaltfrequenz verbundenen Entwicklungen und Herausforderungen sollen im Folgenden näher erläutert werden.

Einfluss der Schaltfrequenz auf die Größe der Transformatoren

In den Siebzigerjahren waren noch Netzgeräte mit 50-Hz-Trafos im Einsatz und dementsprechend groß und schwer. Ein 250-Watt-Netzteil wog circa 10 kg und war größer als ein Schuhkarton. In jedem Netzgerät ist der Transformator immer noch eine wesentliche Komponente und hat deshalb großen Einfluss auf die Größe eines Netzgeräts. Welche Energie ein Transformator übertragen kann, hängt im Wesentlichen von der Kühlung, vom Volumen des Trafokerns und der Wicklung sowie der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Feldes und damit von der Übertragungsfrequenz ab. Will man die übertragbare Leistung eines Trafos also erhöhen oder einen Trafo bei gleicher Leistung kleiner machen will, muss man die Übertragungsfrequenz erhöhen. 

Lässt man Isolationsanforderungen außer Acht, ist die übertragbare Leistung eines Transformators in erster Näherung umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Übertragungsfrequenz. Aus diesem Grunde wird bei heutigen Netzgeräten die 50-Hz-Netzspannung zuerst gleichgerichtet und aus der Gleichspannung mit elektronischen Schaltern eine Wechselspannung erzeugt. Beträgt die Frequenz dieser Wechselspannung zum Beispiel 50 kHz, ist der notwendige Transformator circa 30-mal kleiner als bei 50 Hz, was sich natürlich auch auf Volumen und Gewicht des Netzgeräts auswirkt. 

Bei Frequenzen von 500 kHz lässt sich ein Transformator weiter auf ein Drittel der Größe reduzieren. Durch eine weitere Frequenzerhöhung ist also nur noch eine moderate Reduktion der Größe der Transformatoren möglich.