Weniger Verluste und höhere Betriebstemperatur bei DC/DC-Wandlern FORMELN

Der Ruf, Energie zu sparen, ereilt zuerst die Stromversorgung. Ihr hoher Wirkungsgrad schafft die Grundlage für energieeffiziente Geräte. War früher ein hoher Wirkungsgrad nur im Nennbetrieb möglich, so wird heute für jede Betriebsart und Last ein konstant hoher Wirkungsgrad erwartet – und das über den ganzen Betriebstemperaturbereich.

Die Verlustleistung eines Gleichspannungswandlers (Bild 1) berechnet sich aus der Differenz der zugeführten und der abgeführten Leistung.

mit PV = Verlustleistung, PE = Eingangsleistung, PA = Ausgangsleistung, η = Wirkungsgrad.

Je höher der Wirkungsgrad eines DC/DC-Wandlers ist, desto höher ist seine Ausgangsleistung bei gleicher Leistungsaufnahme. Kann die in Wärme umgewandelte Verlustleistung nicht an die Umgebung abgegeben werden, führt dies unweigerlich zu einer Überhitzung. Zusätzliche Kühlkörper oder durch Lüfter erzwungene Konvektionskühlung verbessern die Wärmeabfuhr, sie lindern aber nur die Symptome. Die Ursache der Wärmeentwicklung bleibt bestehen: der schlechte Wirkungsgrad der Gleichspannungswandlerschaltung. Diese zusätzlichen Kühlmaßnahmen verursachen Kosten – für das Material und die zur aktiven Kühlung benötigte Energie.

Die thermische Impedanz zwischen Gehäuse und Umgebung (RTH GU) ist ein Maß für die Wärmeabgabe an die Umgebung.

mit TG = Gehäusetemperatur, TU = Umgebungstemperatur.

Bei Zimmertemperatur kann die Verlustleistung problemlos an die Umgebung abgegeben werden. Steigt aber die Umgebungstemperatur bis in die Nähe der maximal zulässigen Gehäusetemperatur, wird die Höhe der Verlustleistung bzw. der Wirkungsgrad zum entscheidenden Faktor.

Üblicherweise werden DC/DC-Wandler so ausgelegt, dass sie ihren maximalen Wirkungsgrad bei einer Umgebungstemperatur von +25 °C, bei Volllast und Nennspannung erreichen. Bei anderen Betriebsbedingungen, etwa bei von der Nennspannung abweichender Eingangsspannung, bei Unterlastbetrieb oder hohen Umgebungstemperaturen sind Kompromisse einzugehen. Im Idealfall sollte ein Gleichspannungswandler den höchstmöglichen Wirkungsgrad sowohl über einen weiten Eingangsspannungsbereich als auch bei unterschiedlichen Lastzuständen erreichen können.

In der neuen Gleichspannungswandlerserie „Powerlineplus“ – eine Serie von 20-W-, 30-W-, 40-W- und 50-W-Gleichspannungswandlern mit einem 2:1- oder 4:1-Eingangsspannungsbereich und 2,25-kV- oder 3-kVIsolation – ist es Recom [1] gelungen, den Wirkungsgrad um 2 bis 3 Prozentpunkte auf bis zu 92 % zu steigern. Dies mag auf den ersten Blick nicht sensationell anmuten, bedeutet aber eine Reduzierung der Verlustleistung um Werte zwischen 15 % und 20 %. Dabei bleibt der Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich hoch (Bild 2) – auch bei beliebigen Lastzuständen. Bei geringer Last schalten die DC/DC-Wandler auf Energiesparbetrieb um und wechseln im Leerlauf in einen „Schlafmodus“. In diesem Zustand werden der Versorgung nur noch wenige mA Strom entnommen. Dies ist besonders wichtig, weil im Betrieb ohne Last die gesamte aufgenommene Leistung als Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird – der Wirkungsgrad ist Null. Tatsächlich erreichen die meisten herkömmlichen DC/DC-Wandler gerade im Leerlaufbetrieb gefährlich hohe Temperaturen, da sie generell für Volllast konzipiert sind.