Leistungsübertrager
Neues Ferritmaterial für noch höhere Wirkungsgrade
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Energisparen bei Teillast
Basierend auf dem vereinfachten Modell können die Kurven der Übertrager- Verlusttemperatur bei Volllast (Ptfl), 80 % Last (Pt80%), 50 % Last (Pt50%), 20 % Last (Pt20%) und ohne Last (Pcnl) dargestellt werden (Bild 3). Der gewählte Ferritkern entspricht einem flachen RM14-Kern (RM14lp), als Leistungs-Ferritmaterial dient N95. Der Wandler arbeitet im Gegentakt (push-pull), das Tastverhältnis ist auf Volllast vereinheitlicht. Des Weiteren betragen die Frequenz 100 kHz, die Amplitude der Flussdichte 200 mT, die Umgebungstemperatur 50 °C und der Temperaturanstieg bei Volllast 50 K. Die Regelung des Übertragers liegt bei 7,5 % zwischen Leerlauf und Volllast. Der Übertrager arbeitet unter den angegebenen Konditionen mit maximalem Wirkungsgrad, die Durchflussleistung des Wandlers beträgt 756 W.
Die Betriebspunkte für Volllast, 80 % Last, 50 % Last und Leerlauf sind mit P1, Q1, R1 und S1 für eine Umgebungstemperatur von 50 °C respektive P2, Q2, R2 und S2 für eine Umgebungstemperatur von 30 °C gekennzeichnet. Aus diesen Kurven lassen sich die Veränderungen hinsichtlich Verlust und Temperaturanstieg bei Teillast bestimmen. Der Punkt R1 repräsentiert den Arbeitspunkt bei 50 % Last und einer Umgebungstemperatur von 50 °C. Die Übertragerverluste betragen 5,55 W bei einer Betriebstemperatur von 73 °C.
Bild 4 dokumentiert die Einsparpotentiale bei Austausch eines konventionellen N87-RM14lp-Kerns durch ein alternatives Modell, das entweder auf dem Material N97 oder auf N95 basiert. Angenommen, die durchschnittliche Last am Wandler beträgt 50 % bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C (Punkt R1 in Bild 3), so beträgt die Energieeinsparung pro Jahr bei einer Summe von 1000 Stück dieses Wandlers 11 400 kWh, wenn man anstelle von N87 das Ferritmaterial N95 verwendet oder 6100 kWh, wenn man N87-Ferritkerne durch N97-Ferritkerne austauscht. Bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C (Punkt R2 in Bild 3) betragen die Einsparungen sogar 17 500 kWh, wenn N87-Ferritkerne durch N95-Pendants und immer noch 5500 kWh, wenn anstelle von N87-Ferritkernen solche mit N97-Ferritmatrial zum Einsatz kommen. Während N97 bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C eine höhere Energieeinsparung zwischen 90 % und Volllast als beim Material N95 aufweist, sind die Einsparungen durch N95 eindeutig besser in allen Lastbereichen bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C.
Weniger Klimatisierung erforderlich
Die Energieeinsparung bei niedriger Umgebungstemperatur ist bei N95 größer als bei N97 (Bild 4). Ein Temperaturanstieg spielt also stets eine wesentliche Rolle bei den Energieeinsparungen, zumal sich die Stromversorgungen für Server-Anwendungen in den meisten Fällen in einer klimatisierten Umgebung befinden. Der Leistungsbedarf einer herkömmlichen Klimaanlage liegt bei rund 3,5 kW pro Tonne klimatisierter Luft und erhöht sich proportional mit steigender Temperatur. Da macht es doch mehr als Sinn, wenn man bei den verwendeten Stromversorgungen N87-Ferritkerne durch solche mit N95-Ferritkernen austauscht und auf diese Weise 830 kWh pro Tonne Luft und Jahr allein bei der Klimaanlage einspart.
| Probal Mukherjee |
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| schloss sein Hochschulstudium der Nachrichtentechnik am Indian Institute of Technology in Kharagpur im Jahre 1975 erfolgreich ab. Und seit elf Jahren ist er nun bei Epcos India Private Limited/Kalyani in der Entwicklung von Ferriten tätig. Er ist Mitglied des Technical Committee on Magnetic Components and Ferrite Materials der International Electrotechnical Commission (IEC) sowie Preisträger des IEC 1906 Award für herausragende Leistungen bei IEC-Projekten. |
probal.mukherjee@epcos.com
Literatur
[1] Mukherjee, P.: Selection Criteria of Ferrite Material for Power Applications. Power Electronics Technology, Dallas, Oktober 2007.
[2] Mukherjee, P.: Current Peaking and Energy-storage in Gapped Ferrite Core Magnetic Circuits with DC Bias used in SMPS. PCIM, Nürnberg, Mai 2008.
[3] Mukherjee, P.: Effect of Duty-cycle on Losses, Efficiency and Throughput Power of Ferrite-core Transformers with Nonsinusoidal Flux. International Conference on Ferrites, Chengdu, China, Oktober 2008.
[4] Mukherjee, P.: Selection of a ferrite material to meet the efficiency requirement at fractional load in a SMPS converter using wound ferrite-core component. CWIEME, Mumbai, November 2009.
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