Leistungselektronik

Stromversorgungen – Trends 2022

17. Mai 2022, 16:00 Uhr | Ralf Higgelke

Auch wenn die Leistungselektronik von der Covid-19-Pandemie gebeutelt worden ist, wird sie von globalen Megatrends wie die Elektrifizierung und die Klimaneutralität befeuert. Welche konkreten Trends bei Stromversorgungen sich daraus ableiten lassen, erklärt Patrick Le Fèvre von Powerbox.

Sicherlich gehören die Elektrifizierung und der Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien zu den großen Trends, die wir alle kennen. In diesem Bereich werden viele technologische Innovationen erforderlich sein, um das von der Europäischen Kommission, dem US-amerikanischen Energieministerium und ähnlichen Initiativen in Asien erwartete kohlenstoffneutrale Niveau zu erreichen. Konzentrieren wir uns auf das, was die meisten Anbieter von Stromversorgungen entwickeln, so sind vier Trends und eine technologische Entwicklung absehbar, die diese Branche im Jahr 2022 beeinflussen werden:

Reduzierung des Energiebedarfs,
Stromversorgungen werden Teil des Machine-to-Machine-Ökosystems,
verbesserte Energiespeicherlösungen,
Beschleunigung von Lösungen für das Energy Harvesting und
alle diese Trends werden von der Einführung von Wide-Bandgap-Halbleitern profitieren.

Um die Verluste von der Stromerzeugung bis zum Verbraucher zu reduzieren, sucht die Leistungselektronikbranche ständig nach neuen Ansätzen, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Internationale und regionale Vorschriften haben die Hersteller von Stromversorgungen zu Innovationen gezwungen. Zurzeit sind jedoch strengere Vorschriften geplant, sodass die Stromversorgungsbranche vielleicht neue Topologien, Komponenten und Materialien erforschen muss. Diesen Trend wollen wir anhand eines Beispiels veranschaulichen, das dies alles einbezieht und von ihnen profitiert: dem elektronischen Handel.

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Anwendungsbereich E-Commerce

Zwar wuchs der elektronische Handel schon vor Covid-19, aber infolge der Ausgangssperren, der Arbeit von zu Hause aus und der radikal verringerten physischen Interaktion hat er exponentiell zugenommen. Dadurch stieg der Bedarf an Versandzentren und computergestützter Lagerung und die Anforderungen in der gesamten Lieferkette enorm. Ganz zu schweigen von den Rechenzentren, die für die Verwaltung des elektronischen Warenverkehrs erforderlich sind, sind Versandzentren und Lagerhäuser riesengroß geworden und benötigen eine Menge Energie. Alle großen Akteure haben sich vorgenommen, ihre Umschlag- und Versandzentren energieeffizienter zu gestalten, obwohl der Spitzenwert der Nachfrage in den Jahren 2020 und 2021 ein eindringliches Signal für sie war, ihren Umgang mit Energie zu überdenken und zu überdenken.

Zwar brauchen Stromversorgungen als solche kaum Energie, aber wenn man ihre strategische Position in der Prozesskette betrachtet, spielen sie eine Schlüsselrolle, um den Energieeinsatz in der gesamten Kette zu optimieren. Im Jahr 2022 werden wir sehr fortschrittliche Stromversorgungen in Umschlag- und Versandzentren des elektronischen Handels sehen. Sie werden nicht nur mehr Kommunikationsmöglichkeiten bieten, sondern auch Energie aus Superkondensator-Bänken speichern und zurückspeisen können, um Netzstörungen und Verbrauchsspitzen zu verhindern.

Die Stromversorgungen, mit denen bereits 2021 experimentiert wurde, sind in das komplette Ökosystem für die Kommunikation von Maschine zu Maschine integriert (Bild 1). Sie liefern nicht nur Strom an eine Last, beispielsweise an die Motoren von Förderbändern, sondern können auch die Menge an Energie, die in lokalen Superkondensator-Bänken zu speichern ist, erkennen und anpassen (Bild 2).

Mikrosysteme, die durch geerntete Energie (Energy Harvesting) versorgt werden, sehr schnell. Dank der Nanotechnologie, zum Beispiel Nanoröhrchen, lassen sich auch hier sehr kleine Superkondensatoren entwickeln, die genügend Energie speichern, um Sensoren und Sender zu speisen. Darunter fallen in den Versandkarton eingefügte RFID-Tags, die durch HF-Signale mit Energie versorgt werden, bis hin zu Sensoren, die an Motoren oder beweglichen Teilen angebracht sind und durch Vibration mit Energie versorgt werden.

Dafür ist es nicht nur notwendig, die Stromversorgung und die Kommunikation zu digitalisieren, sondern auch deren Leistungsdichte zu erhöhen. Dazu müssen die Ingenieure neue Stromversorgungslösungen mit Wide-Bandgap-Halbleitern entwickeln. Je nach Anwendung und Spannungsbereich entscheiden sie sich für GaN- oder SiC-Halbleiter. Dies dürfte dazu beitragen, den elektronischen Handel energieeffizienter zu gestalten und den CO₂-Fußabdruck zu verkleinern.

Kritische Komponenten

Über Jahrzehnte hinweg verbesserte sich der Wirkungsgrad von Stromversorgungen durch technologische Weiterentwicklungen. Der Übergang von der linearen zur getakteten Technologie war wahrscheinlich der wichtigste Schritt, gefolgt von einer Reihe kleinerer Technologiesprünge, bis die digitale Stromversorgung auf den Markt kam.

Obwohl sie schon seit einigen Jahren auf dem Markt ist, wird mit den aufkommenden Wide-Bandgap-Technologien und den Möglichkeiten, die diese Komponenten bieten, die digitale Steuerung zu einem absoluten Pflichtelement, und ich bin fest davon überzeugt, dass dies ein wichtiger Grundpfeiler für die Entwickler von Stromversorgungen sein wird.

Auf Bauteilebene werden sich im Jahr 2022 zweifellos die WBG-Transistoren weiter durchsetzen. Allerdings machen auch herkömmliche Leistungs-FETs große Fortschritte. Daher müssen Entwickler von Leistungselektronik bei der Auswahl der am besten geeigneten Technologie für ihre Anwendungen neue Maßstäbe in puncto wirtschaftlicher Abwägung und Fachwissen setzen.

Der dritte Baustein, den ich für wichtig halte, sind moderne Planartransformatoren mit verschachtelter Multicore-Technologie. Nicht alle Stromversorgungen erfordern ein Schalten im Megahertz-Bereich, weil jedoch ständig nach kleineren Stromversorgungen mit höherem Wirkungsgrad verlangt wird, müssen die Entwickler von Stromversorgungen neue Arten von Transformatoren und neue Wickeltechniken in Betracht ziehen. Hierbei werden sie von den Ferritherstellern unterstützt, die neue Materialien entwickeln, aber auch von Software mit künstlicher Intelligenz, um neue Transformatoren schneller entwerfen und testen zu können (z. B. Frenetic, Simba).

Ein konkretes Beispiel dafür ist die Forschung, die wir derzeit bei Powerbox betreiben. Dabei werden digitale Regelverfahren, Galliumnitrid (GaN) und Multicore-Transformatoren mit moderner Schaltungstechnik und automatisch abgestimmter Leistungsfähigkeit innerhalb des weiten Betriebsbereichs kombiniert. Dies ist bei einigen industriellen Anwendungen notwendig, die extrem weite Eingangsspannungen sowie wiederholt auftretende Spitzenlasten an den Ausgängen erfordern. Die Produkte sind zwar noch nicht marktreif, aber ohne die Kombination aus digitaler Regelung, Wide-Bandgap-Halbleitern und modernen magnetischen Bauteilen wird dies nicht zu erreichen sein (Bild 3).

Ich bin davon überzeugt, dass viele der neuen Produkte, die wir im Jahr 2022 und danach sehen werden, auf diesen drei Säulen ruhen werden. Auch bin ich mir sicher, dass sie mehr Möglichkeiten der Kommunikation beinhalten werden, um Teil eines Machine-to-Machine-Ökosystems zu werden.

Wir glauben an Wide-Bandgap!

Interessanterweise erleben wir bei den Wide-Bandgap-Halbleitern eine ähnliche Situation wie bei der Einführung der ersten Leistungs-MOSFETs. Einige waren sofort von den Vorteilen von WBG begeistert. Und obwohl die ersten Produkte nicht sehr anwenderfreundlich waren, weil selbstleitend waren (Verarmungstyp), der sehr spezielle Treiber erfordert, dauerte es nicht lange, bis die Hersteller von Leistungshalbleitern benutzerfreundlichere Lösungen anboten.

Seit mehr als fünf Jahren werben die Hersteller für die Vorteile dieser Technologie, aber wenn die Markteinführung abgeschlossen ist, braucht es noch eine gewisse Zeit, bis die Produkte für den Massenmarkt nutzbar sind.

Wir alle kennen die Kamel-Kurve, die beschreibt, wie sich neue Technologien durchsetzen und eine Kluft überwinden (Bild 4). Erfahrene Entwickler von Stromversorgungssystemen haben diese technologische Kluft schon oft überquert, zuletzt bei der Umstellung von der analogen auf die digitale Regelung, bei der es mehr als zehn Jahre dauerte, bis sie sich durchgesetzt hatte.

Im Fall von Wide-Bandgap – und insbesondere von Galliumnitrid – traten die ersten Anwender viel schneller auf den Plan, als manche vor Jahren erwartet hatten. Dauerte es zehn Jahre, bis die digitale Stromversorgung zum Standard avancierte, so dauerte es nur fünf Jahre, bis WBG ein ähnliches Niveau erreicht hat. Es ist keine Überraschung, dass die PC- und Mobilelektronik-Industrie zu den Vorreitern bei GaN gehörte. Die Anzahl der für 2020 und 2021 angekündigten USB-C-Ladegeräte mit GaN-Halbleitern ist höchst beeindruckend.

Besonders erwähnenswert sind hierbei die GaNFast-ICs von Navitas, die im 120-W-Ladegerät für das Flaggschiff-Mobiltelefon iQOO 9 Pro von vivo verbaut sind (Bild 5). Dies zeigt die schnelle Akzeptanz von GaN in der Remote-Working-Branche. Neben der höheren elektrischen Leistung reduziert die Verwendung von GaN die Abmessungen um 26 Prozent und erreicht eine Leistungsdichte von 1,3 W/cm³.

Bild 6: Der Ansatz Efficient Power Conversion (EPC) ist sehr interessant, da er die Verbindungsverluste minimiert und es ermöglicht, einen Leistungswandler auf eine noch nie dagewesene Größe zu verkleinern (Quelle: PRBX/EPC)

Interessant an der Entwicklung von WBG-Halbleitern ist, dass aufgrund der Besonderheit dieser Technologie, sprich des sehr niedrigen Durchlasswiderstands und der Fähigkeit, extrem schnell zu schalten, das Packaging sehr wichtig ist. Deshalb sehen wir viele Innovationen bei den Herstellern, um optimierte Lösungen anzubieten. In technologischer Hinsicht ist der Ansatz von Efficient Power Conversion (EPC) sehr interessant, da er die Verluste bei der Verschaltung minimiert und dadurch die Leistungswandler auf eine noch nie dagewesene Größe schrumpfen lässt (Bild 6).

Erwähnenswert ist die erstaunliche Zahl der technischen Webinare, die während der Pandemie angeboten wurden, ganz zu schweigen von der virtuellen APEC 2021. Viele Unternehmen nutzten dies als Gelegenheit, ihre Stromversorgungsentwickler online zu schulen, und einige Anbieter von Leistungshalbleitern gaben an, bis zu zehnmal mehr Evaluierungskits verschickt zu haben als vor der Pandemie.