Power
50 Jahre dynamische Technologie- und Marktentwicklung
Als ich gefragt wurde, ob ich anlässlich des 50-jährigen Bestehens der M&T etwas über Stromversorgungen schreiben möchte, hat es mich berührt. Seit 1974, also seit mehr als 50 Jahren, entwickle und produziere ich Stromversorgungen.
Stromversorgungen sind also mein berufliches Leben und ich hätte viel mehr zu erzählen, als dieser Artikel fassen kann. Deshalb bitte ich gleich vorbeugend um Verzeihung, falls ich nicht jedes Unternehmen und jeden Trend gebührend erwähnt habe.
Im Jahr ihrer Gründung, 1976, war die Markt & Technik einzigartig, da sie nicht nur ein weiteres technisches Magazin anbot, sondern auch über Marktneuigkeiten berichtete. Technische Entwicklungen und Marktveränderungen sind eng verbunden, und ich habe deshalb als Grundstruktur für meine Darstellung auch die Aufteilung in den Markt und die Technik gewählt.
Der Markt von 1976 bis 2026
Der Umstieg von linear geregelten Stromversorgungen mit 50-Hz-Trafos auf Schaltnetzteile war Auslöser für eine Welle von Firmengründungen um die 1970er-Jahre.
Im Gegensatz zur Längsreglertechnik, bei der die Anforderungen eher in der Fertigung mit großen, schweren Bauelementen lagen, war die neue Technik stärker Know-how-getrieben. Deshalb haben praktisch alle Unternehmen, die traditionell ihre Stromversorgungen selbst hergestellt haben, diese Aufgaben an Spezialisten übertragen. Ich möchte daran erinnern, dass IBM einmal der weltgrößte Hersteller von Stromversorgungen war, und zwar nur zu dem Zweck, den Bedarf von den eigenen Großrechnern zu befriedigen.
Auch wenn die getaktete Technik ursprünglich fürs Militär(Flugzeuge/Gewicht) entwickelt wurde, hat sie die erste Verbreitung im IT-Bereich gefunden. Zum ersten kommerziellen Einsatz kam es 1972 in dem programmierbaren Tischrechner HP9100-A (18 kg!) von HP. Dann kam 1977 der legendäre Apple II auf den Markt, der keinen Lüfter mehr benötigte. Monitore und Drucker waren ein weiterer großer Einsatzbereich für Schaltnetzteile.
Firmen aus den USA und Asien waren die dominanten Anbieter: Astec und Boschert für kleine und mittlere Leistungen, Pioneer Magnetics und LH Research für hohe Leistungen. In Europa waren Gould aus Großbritannien mit einem 5-V-/20-A-Netzteil und Unisel bei München mit einem modularen Konzept für 40 W weit verbreitet.
Durch den großen Bedarf aus der IT-Industrie und den hohen Anteil an Handarbeit bei der Produktion eines Schaltnetzteils kristallisierte sich schnell eine dominante Stellung taiwanesischer Unternehmen heraus: Delta Electronics, Lite-On, MeanWell, FSP und PhiHong. Sie konnten auch schnell die sich bietenden Kostenvorteile einer Produktion in China nutzen. Eine große Zahl von Unternehmen ist später auch in China direkt entstanden, die aber nie an die taiwanischen Anbieter herankamen. Aus geopolitischen Gründen und vom Marktverständnis her haben sie nicht den großen Erfolg in Europa und den USA. Die Frage ist, ob nicht Taiwan auch in absehbarer Zeit zu China gehören wird und wie es dann weitergeht.
Zu den dominierenden Bauformen zählten damals offene Leiterkarten, L- oder U-förmige Winkel, wahlweise mit oder ohne Abdeckungen, geschlossene Gehäuse meist mit Lüftern und große 5 x 8 x 11 Zoll (127 x 203 x 279 mm³) Teileinschübe. Inzwischen sind 1U- und 2U-Einschübe für Server standardisiert. Conduction-cooled-Stromversorgungen sieht man in letzter Zeit auch häufiger.
Ein typisch deutsches Format war die Eurokarte und entsprechend haben deutsche Hersteller dort dominiert: Vero, Schroff, Elba Electric und Haltec. Brandner hatte mit sekundär getakteten Reglern als Zwischentechnologie guten Erfolg. Ich habe mit meiner Vor-Puls-Firma, Duckert & Erdl, 1978 das erste Schaltnetzteil auf den Markt gebracht. Mit einem besonders niedrigen Funkstörgrad K-klein war es sogar für den Einsatz in Sendeanlagen zugelassen und hat damit die Vorbehalte gegenüber der neuen Technik ausgeräumt. Das Europaformat hat sich aber nicht weltweit durchgesetzt, es war zu teuer und ist praktisch vom Markt verschwunden.
Ursprünglich brauchten elektronische Systeme eine Vielzahl von Spannungen mit unterschiedlichen Leistungen. Mit festgelegten Multioutput-Geräten konnte man viele Anforderungen nicht erfüllen. Deshalb wurden modulare Stromversorgungen entwickelt, TDK-Lambda war hier führend, bei denen man in einen Aufnahmerahmen unterschiedliche Module einbauen konnte.
Inzwischen bietet die Halbleiterindustrie aber viele Bausteine und die zugehörige Anwenderunterstützung an, mit denen sich der Anwender selbst auf dem Board die benötigten Spannungen erzeugen kann. Seither geht der Trend also eher zu Stromversorgungen mit nur einer oder höchstens zwei Ausgangsspannungen als Frontend und lokalen DC/DC-Wandlern mit oder ohne galvanische Trennung.
Sehr stark geprägt hat diesen Trend die Firma Vicor. Es war nicht weniger als eine Sensation, als diese in den 1980er-Jahren die bis dahin übliche Schaltfrequenz von 30 kHz durch ein Resonanzkonzept auf 1 MHz erhöht hat. Vicors flache Module, oft „Schokoladentafel“ genannt, konnten direkt in eine PCB eingelötet werden. Weil das allerdings nur DC/DC-Wandler waren, musste der Anwender sich vieles dazu bauen: EMV-Filter, Gleichrichter, Elkos und Kühlkörper. Heute gibt es von einigen Anbietern eine Palette mit unterschiedlichen Baugrößen und Leistungen, die hauptsächlich im DC/DC-Bereich eingesetzt werden.
Ein ganz neues Konzept war, die Stromversorgung auf die DIN-Schiene aufzuschnappen. 1991 kamen die ersten Produkte durch Puls auf den Markt, bald darauf gefolgt von Siemens mit der Sitop. Schnell hat Siemens den gesamten Markt vereinnahmt. Puls hat sich ab 1997 ausschließlich auf diese Bauform fokussiert. Andere Hersteller von Komponenten für die Automatisierungstechnik wie Phoenix Contact, Weidmüller und Wago folgten. Allerdings starteten sie nicht mit selbst entwickelten und hergestellten Produkten, sondern ließen diese im Auftrag herstellen.
Von einem einheitlichen Markt kann bei Stromversorgungen keine Rede sein, er ist stattdessen sehr fragmentiert. Im IT-Bereich ist Lüfterkühlung Standard, im Automatisierungsbereich ist es die Konvektionskühlung. In puncto Lebensdauer und Verfügbarkeit von Produkten reicht die Spanne von 20 Jahren im Industriebereich bis zu 4 Jahren im IT-Bereich. Auch hinsichtlich der Vertriebswege unterscheidet sich der Markt sehr deutlich.
Aus diesem Grund sind die Märkte der Automatisierungstechnik und der allgemeinen Elektronik sehr getrennt und werden von unterschiedlichen Anbietern und über unterschiedliche Kanäle versorgt. Erfolgreiche Unternehmen im allgemeinen Bereich sind selten erfolgreich bei DIN-Schienen-Stromversorgungen und umgekehrt. Der Marktanteil von DIN-Schienen-Stromversorgungen am gesamten Industriemarkt liegt heute bei etwa 25 Prozent.
Die Technik von 1976 bis 2026
Technisch befand man sich vor einem halben Jahrhundert mit einem linearen Regler und einem 50-Hz-Trafo in der Sackgasse. Da der Linearregler als variabler Widerstand nur regeln kann, indem er Leistung vernichtet, musste die Eingangsspannung für den Linearregler auch im ungünstigsten Fall über der Ausgangsspannung liegen. Das ist, wie wenn man beim Auto das Gaspedal am Anschlag festnagelt und die Geschwindigkeit mit der Bremse regelt. Der Wirkungsgrad eines 5-V-Netzteils lag bei 25 Prozent! Nachdem ich ein linear geregeltes Multioutput-Netzteil mit 600 W entwickelt hatte und dabei alle technologischen Tricks wie Trafos mit automatischer Umschaltung von Wicklungsanzapfungen und Strombegrenzung über OPs genutzt hatte, beschloss ich, nie wieder so etwas zu entwickeln und stattdessen auf die neue Technologie zu setzen.
Freundlicherweise hat die Halbleiterindustrie begonnen, dafür geeignete Bauteile anzubieten. Ursprünglich als bipolare Hochspannungstransistoren für die Zeilenablenkung in Fernsehern entwickelt, ließen sich damit auch effiziente Netzteile bauen. Für die Entwickler bedeutete das allerdings, dass sie viel Neues lernen mussten. Wie steuere ich einen solchen Transistor an, dass er schnell schaltet und überlebt? Ein MOSFET lässt sich einfach schalten, bei einem bipolaren Schalter ist das hingegen eine Kunst. Ich konnte mit einer ausgefeilten Treiberschaltung einen 1000-V-bipolaren Transistor in 20 ns ausschalten, aber es war sehr aufwendig.
Ein unbekanntes Thema waren die magnetischen Bauteile: Wie berechne ich einen Hochfrequenztrafo mit seinen überraschenden Stromverdrängungseffekten in der Kupferwicklung? Valvo/Philips und Unitrode, heute TI, haben mit vielen Anwendungshinweisen und Schulungen sehr geholfen. Die erste Power-Conversion-Konferenz (heute PCIM) 1979 war ein Highlight.
In den 80er-Jahren kamen die ersten MOSFETs. Ein Traum für den Entwickler, supereinfach anzusteuern, unempfindlich gegen Second Breakdown. Allerdings mit hohen Durchlassverlusten.
Man meinte, dass es physikalisch nicht möglich sei, bei hoher Sperrspannung einen niedrigen Durchlasswiderstand zu erreichen. Dann kam Infineon mit dem Durchbruch des Superjunction-Transistors und hat die vermeintlichen Grenzen der Physik durchbrochen.
Grundsätzlich ist der Fortschritt bei Stromversorgungen immer ein Wechselspiel von neuen Bauelementen und damit besseren Konzepten und Topologien. Ein Beispiel ist der Ersatz von Gleichrichterdioden durch MOSFETs als Synchrongleichrichter. Früher waren Schottky-Dioden der Standard, heute sind es MOSFETs, die im Preis so niedrig wurden, dass man sie auf breiter Front einsetzen kann.
Mit dem Preisrückgang bei den MOSFETs war auch ein Umstieg von hartschaltenden Prinzipien auf resonant schaltende Topologien möglich. Diese haben zwar höhere Durchlassverluste, die sich aber durch größere Chips ausgleichen lassen, sodass die Vorteile des weitgehend verlustfreien Schaltens überwiegen. Waren früher Sperr-, Durchfluss- und Gegentaktwandler der Standard, ist es heute der LLC-Wandler.
Mit all diesen Fortschritten war es möglich, den Wirkungsgrad von 25 Prozent des oben genannten Längsreglers auf 65 Prozent bei den ersten Schaltnetzteilen zu steigern. Danach waren lange Zeit 75 Prozent ein guter Wert, bis man über 85 Prozent auf heute deutlich über 90 Prozent kam. Das Spitzenprodukt bei Puls erreicht heute 97 Prozent Wirkungsgrad.
Der Ausblick
Erstaunlicherweise sind auch nach 50 Jahren immer noch spürbare Fortschritte möglich. Bessere Bauelemente, komplexe Simulationstools und das Ausfeilen jedes Details ergeben bessere Produkte.
Wide-Bandgap-Materialien wie SiC und GaN, doppel- oder topseitig kühlbare Chipgehäuse, kostengünstige Mikrocontroller für komplexe Ansteuerungen, einfache Stromsensoren, kompaktere Keramik-Vielschichtkondensatoren, bessere Elektrolytkondensatoren, optimierte Ferrite und immer mehr SMD-Bauformen sind das Klavier, auf dem die Entwickler spielen können.
Ich erwarte nicht den einen großen Durchbruch, dazu ist die Technik zu reif, aber der Fortschritt auf vielen Ebenen wirkt sich doch deutlich in der Summe aus.
Der einzige große nächste Schritt wird der Umstieg von AC-Netzen auf DC-Netze sein, wie es die Open DC Alliance und jetzt vor allem Nvidia propagieren. Damit sind noch einmal grundsätzliche Verbesserungen bei Wirkungsgrad, Baugröße und Zuverlässigkeit möglich.
All diese Themen erfordern enorme Investitionen in die Entwicklung. Nur Unternehmen, die das Volumen und die Bereitschaft dazu haben, werden in Zukunft erfolgreich sein. Die Konsolidierung im Markt wird weitergehen, es werden nicht mehr viele neue Unternehmen gegründet werden.
