DC-DC-Wandler Neues Verfahren erhöht Effizienz bei Gleichspannungswandlern

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Forscher der Universität Stuttgart entwickelten ein Verfahren zur Erhöung der Effizienz bei DC-DC-Wandlern.

Wie trist wäre die Welt ohne Stromrichter? Gleichspannungswandler stecken zum Beispiel in den Netzteilen unserer mobilen Geräte und sorgen für eine zuverlässige Stromversorgung. An der Universität Stuttgart wurde nun ein Verfahren entwickeltet, um die Effizienz der DC-DC-Wandler zu erhöhen.

Gleichspannungswandler sind ein wichtiger Bestandteil von Schaltnetzteilen, mit denen zum Beispiel PC-Netzteile, Notebooks, Mobiltelefone, Kleinmotoren und Batterieladegeräte betrieben werden.

DC-DC-Wandler ermöglichen das Umsetzen einer am Eingang des Gleichspannungswandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung am Ausgang des Wandlers. Häufig spielt besonders die Spule eine wichtige Rolle, denn mit ihrer Hilfe wird die transferierte Energie zwischen dem Eingang und Ausgang zwischengespeichert. In der Regel weist das Bauelement eine Induktivität auf, die in der Spule auftretende Leistungsverluste beeinflusst. Unterschiedlich hohe Leistungsverluste können in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Gleichspannungswandlers entstehen.

Forscher der Universität Stuttgart entwickelten nun ein Verfahren, mit dem die Effizienz des Gleichspannungswandlers erhöht werden kann. Über das Tastverhältnis des Leistungsschalters wird dabei der Mittelwert des Stroms in der Hauptwicklung der Spule eingestellt. Dabei nimmt die Permeabilität und Induktivität des Spulenkerns ihren maximalen Wert ein.

Durch das von Dr.-Ing. Omar Abu Mohareb, Projektleiter am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen entwickelte Verfahren kann die Effizienz des Gleichspannungswandlers in jedem Betriebszustand erhöht werden – also für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule. Damit wird durch die Einhaltung des maximal möglichen Induktivitätswertes ein maximaler Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen erreicht werden.

Das Verfahren auf einem Blick

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers, der einen Leistungsschalter und eine Spule, einen Spulenkern, eine auf dem Spulenkern angeordnete Hauptwicklung und eine auf dem Spulenkern angeordnete Steuerwicklung umfasst.

Der Mittelwert des Hauptwicklungsstroms wird über ein Tastverhältnis des Leistungsschalters so eingestellt, dass entweder ein konstanter Ausgangsstrom oder eine konstante Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erhalten wird. Der Steuerstrom wird in Abhängigkeit von dem Mittelwert des Hauptwicklungsstroms über dem Tastverhältnis eines Steuerschalters eingestellt. Die Einstellung erfolgt dadurch, dass die Permeabilität des Spulenkerns ihren maximalen Wert einnimmt.

In jedem Betriebszustand des Wandlers kann dadurch über den Steuerstrom die Effizienz erhöht werden. Besonders für Anwendungen, bei denen die Induktivität geregtel oder eingestellt werden muss, eignet sich das Verfahren.

In Deutschland wurde das Patent bereits erteilt (DE102017209230B4) und ein Vertrag für weltweiten Patentschutz ist eingereicht. Bei Patentierung und Vermarktung unterstützt die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) die Universität Stuttgart