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Schaltungstechniken helfen

Energieeffizienz und Wirkungsgrad sind wichtiger denn je

29. September 2023, 9:00 Uhr | Iris Stroh

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Und so sehen es Texas Instruments und Würth Elektronik eiSos

Texas Instruments

Aus der Sicht von Sheng-yang Yu, System Manager, Power Design Service bei Texas Instruments, sind bessere Kennzahlen der Leistungsschalter (FETs) der Schlüssel, um den Wirkungsgrad in der Spannungswandlerstufe zu erhöhen. Parameter wie der Einschaltwiderstand, die Ausgangskapazität, die Gateladung und die Sperrverzögerungsladung sind entscheidend, wenn es um die Verbesserung der Effizienz geht. Darüber hinaus seien auch die Steuerungsalgorithmen sehr wichtig, um den Wirkungsgrad zu steigern. Yu: »Zum Beispiel die adaptive Totzeitregelung, mit der sich die Schaltverluste verringern und die Leiteigenschaften im dritten Quadranten verbessern lassen, sowie der Burst-Betrieb oder das Absenken der Schaltfrequenz, um den Wirkungsgrad bei geringer Last zu erhöhen.«

Würth Elektronik eiSos

Würth Elektronik eiSos achtet laut Mahmoud Shousha, Division Manager für MagI³C Power Modules PU bei Würth Elektronik eiSos Group bereits in der Entwurfsphase auf den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte (Ausgangsleistung pro Volumeneinheit). »Den Wirkungsgrad zu betrachten, ohne die Leistungsdichte zu berücksichtigen, ist keine kluge Entscheidung, da der Wirkungsgrad typischerweise durch eine größere Systemlösung verbessert werden kann, allerdings ein Ansatz, der nur selten akzeptiert wird«, so Shousha. Gleichzeitig führe eine höhere Leistungsdichte ohne Verbesserungen beim Wirkungsgrad wiederum zu Designs mit höheren Temperaturen, wodurch »eine Kühlung erforderlich wird, was schließlich die Verbesserung der Leistungsdichte wieder zunichtemacht«, erklärt Shousha weiter.

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Deshalb betrachte das »MagI3C Power Modules«-Team innerhalb der Würth Elektronik eiSos Gruppe den Gesamtwirkungsgrad des Systems und das bei verschiedenen Eingangs-/Ausgangsspannungen und unterschiedlichen Ausgangsströmen. Mit gutem Grund:

Ein hoher Wirkungsgrad bei hohem Strom wird durch die Optimierung der Leitungsverluste erreicht, sprich es werden Halbleiterbauelemente mit niedrigem R_dson und Induktivitäten mit niedrigem R_DC ausgewählt.
Der Wirkungsgrad bei mittleren Lasten wird erhöht, indem die Schaltverluste niedrig gehalten werden. Dies geschieht durch die Wahl einer angemessenen Totzeit des Low-Side-Schalters, um ein Schalten nahe der Nullspannung zu erreichen. Außerdem werden Halbleiter mit einer relativ geringen Ausgangskapazität gewählt, ohne den Durchlasswiderstand zu beeinträchtigen.
Bei sehr geringen Lasten wird der Wirkungsgrad typischerweise durch die Regelung verbessert. Shousha: »Viele unserer Produkte verfügen über eine Pulsfrequenzmodulation (PFM) bei geringer Last, bei der der Wandler für einige Zeit im Leerlauf läuft, um Strom zu sparen.«

Shousha belegt seine Aussage mit Beispielen. Er erklärt: »Abbildung 1 zeigt ein Vergleichsbeispiel zwischen unserer ersten Generation des 24V-Bus 3A und der zweiten Generation. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Wirkungsgrad durch die oben beschriebenen Entwurfstechniken über den gesamten Betriebsbereich verbessert wird.«

Abbildung 2 wiederum zeigt, dass eine PFM bei geringer Last eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades mit sich bringt. Dargestellt ist ein Vergleich zwischen Modulen mit exakt demselben Design, von denen jedoch eines im herkömmlichen PWM-Modus und das andere im PFM-Modus betrieben wird. Der PFM-Modus ist insbesondere für batteriebetriebene Anwendungen sehr wichtig und »kann die Batterielebensdauer um mehr als 4-5 Stunden verlängern, wenn das Gerät hauptsächlich im Standby-Modus läuft«, betont Shousha. Und weiter: »Wie bereits beschrieben, wird die Effizienz verbessert, während gleichzeitig die Größe verringert wird. Die 2. Generation hat zum Beispiel Abmessungen von 10X6X3 mm3, was 56 Prozent kleiner als die erste Generation ist. Gleichzeitig ist sie in der Lage, bei 60 °C mehr als 35 W zu liefern, und das bei einer so geringen Größe.«

Würth Elektronik eiSos setzt aber seit kurzem noch eine weitere Technik zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei geringer Last ein, und zwar: Die Ausgangsspannung versorgt die Steuerschaltungen anstelle dem herkömmlichen Ansatz, bei dem die Eingangsspannung verwendet wird. Shousha: »Dies führt zu einer enormen Verringerung des Ruhestroms. Das zeigt sich in unseren Bausteinen wie 171013801, 171023801 und 171033801, die sich durch einen Ruhestrom von 3,5 µA auszeichnen, wenn die Ausgangsspannung höher als 3,2 V ist. Und siehe da: Der Ruhestrom, der den Verbrauch des Leistungsmoduls im unbelasteten Zustand bestimmt, ist mit dem Abschaltstrom (also wenn das Modul vollständig abgeschaltet ist) nahezu vergleichbar, sprich der Standby-Strom wurde deutlich abgesenkt.

Eine weitere Anwendung, bei der die Leistungseffizienz eine wichtige Rolle spielt, ist das Energy Harvesting. Würth Elektronik eiSos ist laut Shousha an vielen öffentlich geförderten Projekten zu diesem Thema beteiligt. Das jüngste von der EU geförderte Projekt heißt Symphony, im Rahmen dessen R&D-Power-Module entwickelt wurden, die in der Lage sind, Energie aus mechanischen Bewegungen wie der Vibration von Auto- oder Fahrradreifen zu gewinnen und diese Energie zur Übertragung von Reifendruckdaten zu nutzen. Shousha: »Der Wirkungsgrad und die Größe dieser Module sind besser als die auf dem Markt befindlichen Produkte.« Abbildung 3 zeigt einen Vergleich der beiden Ansätze. Die rote Kurve zeigt, wie häufig das Forschungs-Power-Modul Informationen über den Reifendruck im Vergleich zu einer auf dem Markt vorhandenen Lösung übertragen kann. Shousha abschließend: »Es ist offensichtlich, dass das Forschungs-Modul im Vergleich zu bestehenden Systemen viel schneller ist und im gleichen Zeitraum fünfmal mehr Informationen übertragen kann. Das bedeutet auch, dass das Forschungs-Modul die Energie aus den Vibrationen gewinnen und sie im Vergleich zu vorhandenen Lösungen viel effizienter verarbeiten kann.«