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Netzgeräte – wohin die Zukunft führt

8. Januar 2018, 17:14 Uhr | Prof. Dr. Werner Wölfle, Geschäftsführer und Technischer Leiter der Traco Power Solutions

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Einfluss der Schaltfrequenz auf die Größe der Puffer- und Filterkondensatoren

Aufgabe der Kondensatoren in Netzgeräten ist es, während der Stromflusspausen Spannungen zu puffern, Restwelligkeiten von Strömen und Spannungen zu glätten oder hochfrequente Störungen zu filtern. Auch die Größe dieser Kondensatoren lässt sich linear mit der Frequenz reduzieren; dies führt wiederum zu einer Reduzierung des Gerätevolumens. Ausgeschlossen davon sind jedoch Pufferkondensatoren am Eingang eines Netzgeräts, mit oder ohne Power-Factor-Correction. Sie sind mit gleichgerichteter Netzspannung, also mit 100 Hz, zu betreiben. Dies ist auch der Grund, warum sich Netzgeräte nicht beliebig verkleinern lassen, es sei denn, es wird auf Pufferzeiten verzichtet.

Einfluss von Betriebstemperatur und Kühlung auf die Baugröße des Netzgeräts

Es wird oft verkannt, dass die maximal übertragbare Leistung eines Netzgeräts hauptsächlich von den maximal zulässigen Betriebstemperaturen der Komponenten im Netzgerät und deren Kühlung abhängt, falls die Leistungsabgabe nicht durch eine Strom- oder Leistungsbegrenzung limitiert ist. Herstellerseitig werden oft ambitionierte Angaben gemacht, was beim Anwender dann Probleme bereiten kann, wenn die vorgesehene Kühlung nicht gegeben ist. Besser ist es deshalb, den Wirkungsgrad oder aber die Verlustleistungsangaben des Herstellers zur Auswahl des Netzgeräts heranzuziehen.

Wenn ein Hersteller wesentlich höhere Betriebstemperaturen an den Komponenten zulässt als ein anderer, etwas konservativerer, ist zwar die angegebene Nennleistung des Netzgeräts wesentlich höher, die Betriebszuverlässigkeit bei Dauerbetrieb jedoch wesentlich niedriger. Allgemein lässt sich feststellen, dass Netzgeräte heute bereits schaltungstechnisch so minimiert sind, dass weitere Volumenreduzierungen nur durch zusätzliche aktive Kühlung mit Kühlkörpern oder zusätzlicher Luftkühlung zu erreichen sind. Zusätzliche Kühlung kostet jedoch Aufwand, und insbesondere die Luftkühlung ist in Anwendungen wegen unerwünschter Geräusche und auch wegen der möglichen Verunreinigungen problematisch.

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Einfluss des Wirkungsgrads auf die Baugröße von Schaltnetzteilen

Wie bereits beschrieben, sind weitere drastische Volumenreduzierungen bei Schaltnetzteilen durch Erhöhung der Schaltfrequenz bereits weitgehend ausgereizt. Sehr viel mehr Erfolg versprechender sind Anstrengungen, den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, um damit die Eigenerwärmung zu reduzieren, damit die übertragene Leistung erhöht werden kann.

In den 1980er Jahren, der Anfangszeit der Schaltnetzteile, hatten industriell genutzte Netzgeräte Wirkungsgrade im 70%-Bereich, was sich bis in die 1990er Jahre auf deutlich über 80 % verbesserte. In den letzten zehn Jahren sind Netzgeräte im 90%-Bereich zum Stand der Technik geworden.

Maßnahmen zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades bei Netzgeräten

Meist werden die in Netzgeräten eingesetzten Transformatoren heutzutage mit resonant schaltenden FETs mit der Eingangsspannung versorgt. Diese sind preiswert und durch das Ein- und Ausschalten im Nullspannungs- oder im Nullstromzeitpunkt sehr verlustarm und für Netzteile für circa 800 Watt gut geeignet und ausreichend. Bei Netzgeräten über 100 Watt kommen heute eingangsseitig regelmäßig Hochsetzsteller zum Einsatz. Auf diese Weise lässt sich ein wesentlich höherer Power-Factor (über 95 Prozent) erreichen, als dies mit einem Gleichrichter der Fall ist.

In diesem Schaltungsteil muss eine zusätzliche Induktivität eingebaut werden. Damit diese möglichst klein gehalten werden kann, ist es nicht ohne weiteres möglich, den zugehörigen Hochfrequenzleistungsschalter im strom- oder spannungslosen Zustand ein- bzw. auszuschalten. Hier bieten sich neuartige, sehr schnell schaltende Halbleiterschalter-Leistungsschalter an. Insbesondere sind hier Halbleiter auf Galliumnitrid- (GaN) oder Siliziumcarbid- (SiC) Basis zu nennen. Ihre Transitfrequenz ist rund zehnmal höher als die herkömmlicher Siliziumbasierter Halbleiter. Damit verbunden sind wesentlich schnellere Transitvorgänge (Schaltvorgänge) beim Ein- und Ausschalten. Im Vergleich zu Silizium-MOSFETs sind diese Schaltelemente aber noch sehr teuer. Da sich die Preise jedoch nach unten entwickeln, bestimmen diese neuen, schnell schaltenden Halbleiter die weitere Preis- und Leistungsentwicklung der Schaltnetzteile wesentlich.