Netzteile

Hohe Leistung, hoher Wirkungsgrad, niedriger Aufwand

Die Entwicklung von Netzteilen wird komplizierter, weil mehrere, manchmal sogar gegenläufige Faktoren zu berücksichtigen sind. So werden für die Netzteile höhere Wirkungsgrade in allen Betriebszuständen gefordert, um aktuelle und zukünftige gesetzliche Vorgaben einzuhalten. Gleichzeitig müssen diese Netzteile auch verschiedene Normen erfüllen - z.B. zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und bezüglich des Leistungsfaktors. Und die Netzteile sollen auch noch kleiner, leichter und zuverlässiger werden - bei steigender Leistung.

Die erste zu betrachtende Funktion in einem Netzteil ist die Korrektur des Leistungsfaktors (PFC). Elektrische Leistung kann bei Phasengleichheit von Sinus-Wechselspannung und -strom optimal übertragen werden. Dieser Zustand wird mit dem Leistungsfaktor „ λ = 1“ gekennzeichnet.

Die meisten elektronischen Verbraucher sind jedoch von Natur aus induktiv (nacheilend) oder kapazitiv (voreilend), was sich in einem geringeren Leistungsfaktor niederschlägt (0 < λ < 1). Im Extremfall λ = 0, wenn eine rein kapazitive oder rein induktive Last an die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, lädt und entlädt die Quelle die Last im Einklang mit der Sinuswellenform, ohne dass dabei Nutzarbeit entsteht. Dennoch entstehen Leistungsverluste - systemimmanent - beim Laden und Entladen des Bauelementes und bei der Energieübertragung von der Spannungsquelle zur Last.

Leistungsfaktorkorrekturschaltungen haben die Aufgabe, den Leistungsfaktor von Netzteilen an den idealen Leistungsfaktor „1“ anzunähern und so die Energieübertragung und -nutzung effizienter zu gestalten. Weiterhin können PFC-Schaltungen den Klirrfaktor der Netzspannung - durch Rauschen und Verzerrungen bedingt - senken. Der Klirrfaktor (Total Harmonic Distorsion, THD) beschreibt den Grad der Abweichung einer nichtsinusförmigen Wechselspannung vom sinusförmigen Verlauf.

Ein einfaches Beispiel ist der Strom durch einen Brückengleichrichter in den anschließenden Stützkondensator: Nur im Maximum der Spannungamplitude fließt ein hoher Impulsstrom, um den Kondensator nachzuladen. Die Zerlegung dieser Impulsform mittels Fourier-Analyse ergibt die sinusförmige Grundschwingung und die harmonischen Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen, die sich nicht in Phase mit der Spannung befinden, beeinträchtigen auch den Leistungsfaktor.

Um die Verlustleistung in den Verteilnetzen zu senken, geben Normen wie die IEC/EN 61000 und Programme wie Energy Star Grenzwerte für den Leistungsfaktor und den Klirrfaktor vor. Je nach Geräte- und Leistungsklasse gelten verschiedene Grenzwerte, die jedoch von Schaltnetzteilen ohne den Einsatz spezieller PFC-Schaltungen nicht eingehalten werden können.

Die Grenzwerte lassen sich zum Teil mit relativ einfachen, passiven PFC-Schaltungen einhalten. Allerdings haben passive PFC-Schaltungen häufig einen niedrigeren Wirkungsgrad als aktive PFC-Schaltungen und können bei höheren Leistungen nur mit sehr großen, schweren und aufgrund der gestiegenen Rohstoffpreise auch dementsprechend teuren Bauteilen realisiert werden. Vor allem die steigenden Rohstoffpreise sorgen inzwischen dafür, dass aktive PFC-Schaltungen ein günstigeres Leistungs/Kosten-Profil haben. Der Einsatz aktiver PFC-Stufen rechnet sich mittlerweile auch bei Anwendungen, die früher typisch für passive PFC-Schaltungen gewesen sind.

Die Energieeffizienz-Normen und -Vorschriften begünstigen zusätzlich die Verwendung der aktiven PFC-Variante. Aktive PFC-Schaltungen sind außerdem noch in der Lage, ihre Ausgangsspannung zu regeln. Besonders bei Netzteilen, die an jedem Stromnetz der Welt betrieben werden sollen, kann eine konstante, geregelte Zwischenkreisspannung helfen, die Kosten für den Sekundär-Leistungswandler zu senken.

Schließlich können aktive PFC-Stufen mit Hochsetzsteller einen großen Eingangsspannungsbereich verarbeiten und z.B. auf eine Zwischenkreisspannung von z.B. 380 V hochsetzen. Diese hohe, geregelte Zwischenkreisspannung dient dann dem Sekundärwandler als Eingangsspannung. Die häufig als DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung ausgeführten Sekundärwandler profitieren von der hohen Eingangsspannung, weil die primärseitigen Ströme bei gegebener Leistung niedriger sind und so geringere Wärmeverluste (P_v = I² × R) bedingen.

1. Teil: Hohe Leistung, hoher Wirkungsgrad, niedriger Aufwand
2. Teil: Einchip-PFC für hohe Leistungen
3. Teil: Einchip-Schaltregler für hohe Leistungen

Weiterführende Links:

• Netzteile bei geringer Last: 5 Praxis-Tipps für niedrigere Verluste
• PFC-Controller: Höherer Leistungsfaktor und höherer Wirkungsgrad
• Netzteile: 0 W Standby-Leistungsaufnahme