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Neue Voraussetzung im Power Management

Mehr Effizienz mit Hochspannung

17. Mai 2017, 10:33 Uhr | Von Chris Schairbaum und Ramanan Natarajan

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Von zehntausenden Volt zu Bruchteilen eines Volts

Die elektrischen Spannungen liegen zwischen einigen zehntausend Volt in Kraftwerken und auf Überlandleitungen und Bruchteilen eines Volts. Letztere werden intern von schnellen digitalen Bauelementen wie zum Beispiel Embedded-Prozessoren benötigt. Auf dem Verteilungsweg gibt es verschiedene Zwischenstufen wie das Wechselstromnetz mit 110/120 V oder 220/240 V, das den Anwendern bestens vertraut sein dürfte. In privaten, kommerziellen und industriellen Applikationen sowie im Automotive-Segment versteht man unter hohen Spannungen den Bereich, der zwischen den Spannungen in den elektronischen Schaltungen und jenen auf dem Übertragungsweg und an industriellen Anlagen liegt – also vom zwei- bis zum dreistelligen Voltbereich.

Power-Management-ICs für alle Spannungsstufen stellen beträchtliche Anforderungen an die IC-Anbieter und machen laut dem Marktforschungsunternehmen IHS Investitionen im Bereich von 30 Milliarden US-Dollar jährlich notwendig. Für IC-Produkte wie etwa AC/DC-Wandler, Wechselrichter, bidirektionale Wandler und DC/DC-Wandler tun sich neue Märkte auf. IC-Lösungen mit höherem Integrationsgrad, größerer Leistungsdichte und mehr Intelligenz tragen zur Verbesserung der gesamten System-Performance bei.

Besondere Verbesserungschancen birgt die Energieumwandlung, denn bei jeder Spannungswandlung, die vom Kraftwerk bis zur finalen Applikation vorgenommen wird, entstehen Verluste. Wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben, entstehen aber bei niedrigen Spannungen prozentual höhere Verluste als bei hohen Spannungen. Somit ist es aus Effizienzgründen sinnvoll, bis nah an die finale Anwendung heran oder sogar bis in sie hinein mit hohen Spannungen zu arbeiten, bevor diese mit verlustminimierenden Methoden in niedrigere Spannungen umgesetzt werden. Selbstverständlich sind zusätzliche Maßnahmen zum Schutz von Maschinen und Menschen erforderlich, wenn hohe Spannungen in die Nähe von Anlagen und Anwendern kommen.

Beim Wort „Anlagen“ denkt man unwillkürlich an Fabriken, und tatsächlich sind industrielle Anwendungen wie etwa Motoren, Roboter und zentrale Steuerungssysteme ein wichtiges Innovationsfeld im Bereich der Energieversorgung. Zur Zeit vollzieht sich bei Industrien auf der ganzen Welt ein Wandel in der intelligenten Automatisierung. Dieser geht mit so hohem Tempo vonstatten, dass er von einigen als vierte industrielle Revolution oder Industrie 4.0 bezeichnet wird. Der Schlüsselfaktor dieser Umstellung auf sogenannte „intelligente Fabriken“ ist die Verfügbarkeit von mehr Maschinenintelligenz und Systemkommunikation. Oberstes Ziel der intelligenten Fabrik ist die Steigerung der Produktivität und die Senkung der Kosten, indem mit weniger Energie möglichst viel geleistet wird.

Dennoch ist die Industrie nur eine von vielen Zielgruppen von Technologien für mehr Energieeffizienz. Weitere potenzielle Nutznießer sind Wechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Datencenter und die Telekommunikations-Infrastruktur. Elektrofahrzeuge mit Batteriespannungen von rund 400 V sind für Ladung und Fahrbetrieb ebenfalls auf Hochspannungs-Elektronik angewiesen, und auch der florierende Markt für Mobilgeräte jeglicher Art ist eine wichtige Triebfeder für neue Leistungs-Technologien. Selbst so unscheinbare Produkte wie Ladegeräte für Mobiltelefone müssen effizient arbeiten – besonders wenn man bedenkt, dass diese heute zu Milliarden in Gebrauch sind. Kurz gesagt profitieren alle elektrischen und elektronischen Systeme, ob groß oder klein, von einer effizienten Energieumwandlung.