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Entwicklung von Stromversorgungen

Welches sind die kritischsten Kompontenten im Power-System?

27. Januar 2021, 09:45 Uhr   |  Ute Häußler

Welches sind die kritischsten Kompontenten im Power-System?
© Elektronik / Ute Häußler

Wir haben 6 Power-Manager gefragt: Welches sind aus Ihrer Sicht kritischsten Bausteine und Komponenten im Stromversorgungssystem? Die Antworten und Lösungsansätze fallen differenziert aus.

Power Woche Trends 2021
© Traco Power

Sebastian Fischer ist Geschäftsführer von Traco Power.

Der Transformator

»Die kritischsten Komponenten in einem Schaltnetzteil sind neben den Leistungshalbleitern die (Elektrolyt-)kondensatoren und der Transformator. Der Transformator ist das Kernstück eines Schaltnetzteils, der die Energie vom Primär-(AC) in den Sekundärbereich (DC) übertragt.

Klassischerweise ist der Transformator von jedem Hersteller selbst designed und teilweise per Hand gewickelt, ist damit arbeitsintensiv ist und kann nicht beliebig verkleinert werden. Eine Alternative sind Planartransformatoren. Hierbei bestehen die „Wicklungen“ aus Kupferleiterbahnen, die in einer (Mulitlayer) PCB eingebracht werden können.

Design-bedingt erlaubt der Planartrafo besonders geringe Bauhöhen und ist maschinell fertigbar. Dadurch ist diese Technologie weniger arbeitsintensiv und dadurch auch in Hochlohnländern wie Deutschland oder der EU wettbewerbsfähig fertigbar.«

Power Woche Trends 2021
© Vishay

Olaf Lüthje ist Senior VP Business Marketing bei Vishay.

Digitales Power-Management am POL

»Ein wesentliches, kritisches Bauteil sind immer die Halbleiterkomponenten für die Gleich- und Umrichtung. Desweiteren müssen auch die Filter und Speicherkomponenten für Eingangs- und Ausgangsfilter oder als resonanter Speicher für AC/DC-Konverter genau betrachtet werden.

Den Fokus möchte ich aber auf Ausgangsgleichrichter und POL-Regler als wichtiger Bestandteil einer komplexen Stromversorgungslösung legen. Hier ist der Trend zu weiterer Eingangsspannungserhöhung und damit verbunden Behandlung von erhöhten Transienten, Reduzierung der Schaltverluste bei weitestgehender Synchrongleichrichter-konfiguration und die Behandlung von unterschiedlichen wechselnden Lasten und intelligente Absicherung von Fehlerzuständen hervorgerufen durch HOT-PLUG Vorgänge – z.B. eFuse und ORing.

Um die Anforderungen von FPGAs, GPU, CPU oder Leistungs-PA zu erfüllen, ist eine weitere hohe Integration von POL-Konvertern hinsichtlich Smart Power Stages, Skalierbarkeit und Monolithischen Lösungen und Einbindung in ein digitales Management-System – PMBUS, notwendig.«

Power Woche Trends 2021
© EPC

Alex Lidow ist CEO von Efficient Power Conversion in Los Angeles.

Integrierte Treiber

»Über 80 % der Anwendungen für Stromwandlung basieren auf einer Halbbrückentopologie. Für eine Halbbrücke sind zwei Transistoren und ein Treiber-/ Level-Shifting-IC erforderlich. Bei sehr niedrigen Spannungen lassen sich diese Funktionen monolithisch in Silizium integrieren – bei allen Spannungen monolithisch in GaN. Produkte, die von E-Scootern über Drohnen bis hin zu Netzteilen reichen, gehen immer schneller von diskreten Designs auf GaN-ICs über. Diese Integration ändert die grundlegende Definition eines Bauelements.

Allerdings sind MOSFETs noch immer die am häufigsten verwendeten Leistungstransistoren. Sie müssen von einem zusätzlichen IC angesteuert werden. Mit GaN-ICs wird dieser zusätzliche Baustein nicht mehr benötigt, da immer mehr GaN-ICs mit integrierten Treibern auf den Markt kommen. Lidar-Systeme, Motorantriebe und kabelloses Laden werden auf GaN sowie Treiber-ICs umgestellt. Damit kann Platz, Entwicklungszeit und Geld gespart werden.«

Power Woche Trends 2021
© STMicroelectronics

Philip Lolies arbeitet als VP Marketing Analog / Sensor / Power bei STMicroelectronics.

SiC für stromhungrige Motoren

»Maschinenantriebe, also Elektromotoren für Wasser- und Flüssigkeitspumpen, Luftkompressoren, Förderanlagen, Ventilatoren, industrielle Prozesse, sind die größten Stromverbraucher. Da Motoren mehr als 30 Prozent der weltweiten Energie verbrauchen, müssen mehr drehzahlvariable Antriebe eingesetzt werden. Dieser Trend wird zum einen die Implementierung von effizienteren IGBTs und zum anderen den Einsatz von SiC-Produkten im Industriesektor vorantreiben.  

Im Automotive-Bereich sind es die Wechselrichter des Elektroantriebs, deren Leistung die Reichweite der Fahrzeuge direkt beeinflusst. Der Antriebsstrang wird die Nachfrage nach SiC-MOSFETs weiter ankurbeln. Der Onboard-Charger (OBC) ist ein weiterer zu beachtender kritischer Block, aufgrund der Gewichts- und Volumeneingeschränkungen sowie der erwünschten kurzen Ladezeiten. Sowohl SiC als auch GaN können diese Aufgabe als WBG-Halbleiter erfüllen.«

Power Woche Trends 2021
© Infineon

Daniel Scharfen leitet den Bereich BI & Systems bei Infineon, Division Industrial Power Control.

Höhere Integrationstiefe

»Mit der fortschreitenden Digitalisierung und Vernetzung steigen in Industrieanwendungen die Anforderungen an die Rechenleistung. Die ICs für das Power-Management müssen deshalb näher an die Prozessoren heranrücken und dort integriert werden.

Um die Vorteile von Siliziumkarbid-Leistungsschaltern voll ausschöpfen zu können, benötigen diese eine symmetrische und niederinduktive Zuleitungsführung und passende Gate-Treiber. Entwickler können sich über Referenzdesigns, welche eine Kombination aus Schalter und Treiber beinhalten, schnell an ihre individuelle Lösung herantesten.«

Power Woche Trends 2021
© Texas Instruments

Steve Lambouses ist VP High Voltage Power bei Texas Instruments.

Myterium Passive Bauelemente

»Der Regler ist integraler Bestandteil eines jeden Stromversorgungs-Systems und gilt weithin als sein „Gehirn“. Ob es sich nun um einen Batteriemanagement-Controller in einem portablen Stromversorgungs-System oder um einen PFC-Controller (Power Factor Correction) in einem Netzteil handelt - in jedem Fall muss der Wandler eine Vielzahl an Ein- und Ausgängen koordinieren.

Eine weitere kritische Komponente ist die Leistungsstufe. Diese umfasst neben dem als Schalter dienenden Leistungs-FET und dem Treiber-IC auch Schutzfunktionen, wie etwa den Kurzschluss- oder Übertemperaturschutz. Die Intelligenz, die sich in heutigen Leistungsstufen findet, ebnet den Weg zu effizienteren und zuverlässigeren Applikationen.

Schließlich ist keine Stromversorgung ohne induktive Bauelemente denkbar. Trotzdem sind diese größtenteils passiven Bauteile einer Stromversorgung für viele Entwickler immer noch ein Mysterium. Entwickler sollten sich viel mehr mit dem Zusammenspiel zwischen aktiven und passiven Elementen beschäftigen.«

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