Wirkungsgrad von Stromversorgungen Elektrische Effizienz ist kein Selbstzweck!

Mit Wirkungsgraden bis zu 95 Prozent arbeiten diese 1 HE x 238 mm x 128 mm großen Open-Frame-Netzteile. Konvektionsgekühlt liefern sie eine Ausgangsleistung von 500 W, verbaut in einem Gehäuse mit einem Lüfter mit variabler Drehzahl bieten sie eine Ausgangsleistung von 1000 W.
Mit Wirkungsgraden bis zu 95 Prozent arbeiten diese 1 HE x 238 mm x 128 mm großen Open-Frame-Netzteile. Konvektionsgekühlt liefern sie eine Ausgangsleistung von 500 W, verbaut in einem Gehäuse mit einem Lüfter mit variabler Drehzahl bieten sie eine Ausgangsleistung von 1000 W.

Der maximalen Energieausbeute im Sinne elektrischer Effizienz dient ein möglichst hoher Wirkungsgrad sowohl bei Endgeräten wie Stromversorgungen. Galten vor einigen Jahren noch Wirkungsgrade von etwas weniger als 90 Prozent als State-of-the-Art, liegen die Spitzenwerte heute bei bis zu 95 Prozent, und ein Ende der Steigerung ist noch nicht abzusehen.

Auch wenn das vor kurzem von der EU-Kommission vorgeschlagene Energieeffizienzziel von 30 Prozent bis 2030 hinter dem deutlich ambitionierteren 40-Prozent-Vorschlag des EU-Parlaments vom Februar dieses Jahres zurückbleibt – die Richtung stimmt. Für die Elektroindustrie, so ZVEI-Präsident Michael Ziesemer, sei damit ein wichtiges Zeichen gesetzt. »Energieeffizienz verringert nicht nur den CO2-Ausstoß und fördert den Klimaschutz«, so Ziesemer, »sie ist auch der Schlüssel zu mehr Wettbewerbsfähigkeit und steigert die Energieunabhängigkeit der EU«.

Ein entscheidender Teil der Energieeffizienz ist die elektrische Effizienz von Anlagen und Produkten. Welche Bedeutung hier Stromversorgungen spielen wird daran deutlich, dass es in Deutschlands Automobilindustrie inzwischen nicht mehr nur darum geht, den CO2-Ausstoß der jeweiligen Flotten zu minimieren, sondern es gibt inzwischen auch durchaus Vorstandsbeschlüsse, die auf minimierte CO2-Emission durch die Produktion abzielen. Kein Wunder also, dass hier bei der Frage, welche Hutschienen-Netzgeräte in den Produktionsstraßen zum Einsatz kommen, auf Hersteller zurückgegriffen wird, deren Produkte eben nicht 91 oder 92 Prozent Wirkungsgrad haben, sondern vielleicht noch etwas mehr.

Verlustleistung halbiert

»Ein Unterschied von 4 Prozent mag in diesem Zusammenhang erst mal nach wenig klingen«, erläutert Hermann Püthe, Geschäftsführender Gesellschafter der inpotron Schaltnetzteile, »er bedeutet aber eine Halbierung der Verlustleistung«. Als Spezialist für kundenspezifische Lösungen geht es bei inpotron immer in erster Linie darum, was für den Kunden »effizient« bedeutet. Unterliegt das Endgerät beispielsweise einer EnergieStar-Gold- oder -Platin-Anforderung? Gilt es, EU-Richtlinien wie die EUP2 zu beachten? Müssen besonders im Teillastbereich hohe Wirkungsgrade erzielt werden, oder ist es für den Kunden wichtig, dass der Standby-Verbrauch gering ist?

Wie Bernhard Erdl, President und CEO von Puls, sieht auch Püthe keinen direkten Zusammenhang zwischen dem gewählten Schaltungskonzept und einem hohen Wirkungsgrad. Ob Resonanz-, Brücken-, oder Sperrwandler-Konzepte, letztlich entscheidet die Applikation über die Auswahl des Schaltungskonzepts. »Resonanz-Wandler zeichnen sich traditionell bei Volllastszenarien durch sehr hohe Wirkungsgrade aus«, erläutert Erdl, »bei Teillast zirkulieren jedoch Blindströme, die bis zu 30 Prozent des Volllaststroms ausmachen können«. Um das in den Griff zu bekommen, gibt es verschiedene Lösungen. Die Digitalisierung der Stromversorgungssteuerung, der Digital-Loop, ist eine davon. Sie dürfte in Zukunft noch deutlich an Gewicht gewinnen.

Auch wenn sich die hohen Wirkungsgrade bei Volllast marketingtechnisch gut verkaufen lassen, so hat sich in den letzten Jahren immer mehr die Einsicht durchgesetzt, dass es im praktischen Einsatz vor allem auf hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich ankommt. »Aufgabe der Entwickler ist es, beim Thema Wirkungsgrad einen großen Dynamikbereich abzudecken«, stellt Erdl darum fest, »und diese Herausforderung wird in Zukunft noch weiter zunehmen«.

Angesprochen auf die Möglichkeiten des Einsatzes von Wide-Band-Gap-Materialien wie SiC- oder GaN-MOSFETs, kommen Erdl und Püthe zu einer ähnlichen Einschätzung. »Der Übergang zum Synchronised Rectifing hat bei den 24-V-Geräten einen Wirkungsgradzuwachs von etwa 1,5 Prozent bewirkt«, gibt Erdl zu bedenken, »mit entsprechenden Produkten aus dem Wide-Band-Gap-Bereich könnte durchaus noch mal eine Steigerung um 1 bis maximal vielleicht 3 Prozent möglich sein«. Püthe verweist darauf, dass es ja bereits entsprechende Benchmark-Lösungen, etwa von der ETH Zürich, gibt, »nur muss sich das auch zu einem vernünftigen Industriepreis realisieren lassen, sonst sehe ich da in Zukunft keine wirklichen Einsatzmöglichkeiten für entsprechende Leistungshalbleiter-Lösungen«.