Dank neuem Modulationsverfahren Lang lebe die Stromversorgung!


Michael Heidinger, KIT: »Die eigentliche Innovation ist das neue Steuerungsverfahren, Schaltungstopologie haben wir leicht verändert, sie ähnelt dabei einen Serien-Resonanz Wandler. Allerdings betreiben wir weit oberhalb der Resonanzfrequenz und haben die Topologie in Serien-LC-Wandler umgetauft – um Missverständnissen vorzubeugen.«
Michael Heidinger, KIT: »Die eigentliche Innovation ist das neue Steuerungsverfahren, Schaltungstopologie haben wir leicht verändert, sie ähnelt dabei einen Serien-Resonanz Wandler. Allerdings betreiben wir weit oberhalb der Resonanzfrequenz und haben die Topologie in Serien-LC-Wandler umgetauft – um Missverständnissen vorzubeugen.«

Ein neues Modulationsverfahren macht Stromversorgungen deutlich langlebiger als bisher. Michael Heidinger, der es entwickelt hat, erklärt wie es funktioniert.

Markt&Technik: Die Idee, in Stromversorgungen die Elkos mit ihrer begrenzten Lebensdauer durch langlebigere Typen zu ersetzen, ist nicht ganz neu. Ist es Ihnen im Rahmen ihrer Promotionsarbeit Lichttechnischen Instituts (LTI) am KIT haben sie ein neues Verfahren entwickelt. Können jetzt Elkos durch Filmkondensatoren auf breiter Front ersetzt werden?

Michael Heidinger, KIT: Nicht ganz. Wir zielen zunächst auf den Premiumsektor ab, weil die Technik erst ganz am Anfang steht und damit noch relativ teuer ist. Für Stromversorgungen, die in Consumer-Geräten arbeiten, eignet sich das Verfahren im Moment noch nicht. Sobald die Technik ausgereifter ist, wäre es aber auch das Ziel, diesen Sektor im zweiten Schritt anzugehen.

Warum ist die Technik im Moment noch teurer?

Wir benötigen grundsätzlich kaum mehr Leistungskomponenten als für herkömmliche Stromversorgungen erforderlich sind. Allerdings wird momentan noch eine Vielzahl vom Komponenten für die Regelung benötigt. Diskrete Startschaltung, Mikrocontroller, LDO, Halbbrückentreiber die bei Standard-ICs alle schon in den IC integriert sind lassen die BOM wachsen.

Sind dazu neuartige Bauelementen erforderlich?

Nein, wir kommen mit den Bauelementen aus, die auf dem Markt zur Verfügung stehen. Die Folienkondensatoren sind Standardbauelemente, wie die ICs. Ein Cortex M4 übernimmt in unserem Fall die digitale Regelung. In unseren Prototypen wurden Optokoppler – neben den Elkos das zweite Bauelement, das altert – durch digitale Isolatoren ersetzt, die zwar ein wenig teurer sind, dafür müssen wir hinsichtlich der Lebensdauer aber keine Kompromisse eingehen. Die Ausgangsspannung- und Strom wird dabei auf der Sekundärseite digitalisiert. Alles in allem Standardbauelemente, aber eine Vielzahl davon, die den Preis der aktuellen Technologie erklären. Jedoch lässt sich der Integrationsgrad erhöhen und damit die Kosten senken – entsprechende Stückzahl vorausgesetzt.

Den Durchbruch haben sie also auf Basis einer neuen Schaltungstechnik erzielt?

Jein, die Schaltungstopologie haben wir leicht verändert, sie ähnelt dabei einen Serien-Resonanz Wandler. Allerdings betreiben wir weit oberhalb der Resonanzfrequenz und haben die Topologie in Serien-LC-Wandler umgetauft – um Missverständnissen vorzubeugen. Das Soft-Switching konnten wir behalten – allerdings erhielten wir auch handhabbare Gleichungen, was die eigentliche Innovation ermöglichte: Das neue Steuerungsverfahren. Hier können wir den Ausgangsstrom als Funktion von Zwischenkreisspannung, Ausgangsspannung, des Duty Cycles und der Schaltfrequenz beschreiben. Diese Gleichung kann man nun z.B. nach der Schaltfrequenz auflösen und eine Steuerung des Ausgangsstroms erreichen. Aber auch weitere Regelgrößen wir der Duty-Cycle oder Pulse Skipping sind denkbar.

Zu der Steuerung kann man dann einen Spannungs- oder Stromregler überlagern. Eine entsprechende Reglung ist mir als Current Mode Control bei Flyback-Technologien bekannt. Flybacks haben aber der gravierenden Nachteil, dass der Wirkungsrad nicht sehr überzeugend ist.
 
Es handelt sich also um eine neue Resonanz-Topologie?

Die Topologie ist bekannt – die Innovation ist das Regelungsverfahren, wobei die Bauteilparameter leicht verändert wurden. Die Topologie ist in diesem Betriebspunkt nicht resonant, aber sie schaltet „soft“. Daher rede ich lieber von einer softschaltenden Topologie, die sehr wenig EMV-Strahlung generiert.
Der größte Vorteil besteht darin, dass nun die langlebigen Folienkondensatoren zum Einsatz kommen können. Und zwar so, dass sich die Baugröße der Stromversorgungen nicht signifikant ändert. Das war bisher ebenfalls ein Problem, das wir jetzt gelöst haben.  

Sie sprachen es an, aber wie genau ersetzen Sie nun die Elkos durch Folien?

Elektrolytkondensatoren durch Folien – oder Keramikkondensatoren zu ersetzen ist eine sehr naheliegende Idee. Elkos bestechen den Entwickler aber durch Ihre hohe Energiedichte – etwa 10 Mal mehr. Ein Netzteil mit Folienkondensatoren würde überschlagsmäßig 50 bis 100% mehr Bauraum benötigen. Das Regelungsverfahren erlaubt es nun sehr hohe Spannungsripple zu akzeptieren. In einem Experiment haben wir 100-V-Peak-To-Peak Ripple am Zwischenkreiskondensator demonstriert, wo sich der Ausgangsstrom kaum änderte. Dies würde man allerdings so nicht in der Praxis machen.  

Gibt es weitere Vorteile?

Sehr wichtig ist auch, dass die Stromversorgungen einen großen Ausgangsspannungsbereich unterstützt. In einem Prototyp zeigen wir eine Ausgangsspannung von 5 V bis 30 V. Bisherige Stromversorgungen haben immer einen festen Wert, seien es 12 V oder 24 V. Mit der digitalen Technologie könnte man also einen breiteren Ausgangsspannungsbereich abdecken und die Modellpalette reduzieren: Stichwort »One size fits all«. Auch wäre es in diesem Schritt denkbar, dass der Anwender über Fernwartung die Spannung seiner Anlage im Feld nachjustieren kann. Mit der Programmierbarkeit und Einstellbarkeit der Regelparameter passen die Stromversorgungen seht gut in die IoT- und die Industrie-4.0-Welt.

Bisher ist niemand auf die Idee gekommen, eine diese Betrachtung der Eingangsspannung oder Ausgangsspannung zu umzusetzen?

Meines Wissens nach nicht. Allerdings ist gibt es diverse Regelungsverfahren von sehr vielen schlauen Erfindern, die mir nicht alle bekannt sind. Ich kann nur sagen, die Entwicklung war nicht einfach und es hat relativ lange gedauert, die Übertragungsfunktion für Serien-LC-Wandler im Rahmen meiner Promotionsarbeit herzuleiten.

Für welche Märkte eigenen sich nun die Stromversorgungen, in denen das neue digitale Regelungsverfahren zum Einsatz kommt?

Etwa dort, wo unvorhergesehene Ausfälle auf jeden Fall vermieden werden sollen, beispielsweise in Stromversorgungen von Maschinen in Produktionslinien, wo der Stillstand viel Geld kostet. Oder dort, wo es sehr aufwändig ist, ausgefallene Stromversorgungen durch Neue zu ersetzen. Insbesondere eigenen sich die Stromversorgungen, um Batterien zu laden. Deshalb können sie rund um die Elektromobilität Einsatz finden, ebenfalls ein sehr vielversprechender Markt.

Sehen das die potenziellen Anwender, also die Hersteller von Stromversorgungen genauso?

Selbstverständlich gibt es gegen eine neue Technik immer gewisse Vorbehalte. Allerdings sind digitale Regelschleifen und ihre Vorteile ja nichts Neues. In unserer Topologie ist lediglich die zusätzliche Vorsteuerung eingebaut. Tatsächlich gibt es schon einige sehr konkrete Anfragen von interessierten Herstellern. Weil ein funktionsfähiger Prototyp bereits arbeitet, kann jeder Interessent Messergebnisse erhalten und vor Ort gemeinsame Messungen durchführen. Die nächsten Wochen haben sich bereits diverse Hersteller angekündigt.