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Schaltregler-Effizienz

Effizient schalten und walten

2. Mai 2011, 9:32 Uhr | Willem Ongena

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Die Schaltfrequenz senken?

Nun könnte man auf die scheinbar geniale Idee kommen, die Schaltfrequenz so weit zu senken, dass die dynamischen Verluste kaum noch ins Gewicht fallen. Ahlendorf bremst den Optimismus: »Eine niedrige Frequenz scheint attraktiv, bedeutet aber ein größere und teurere Spule und mehr Kupferverluste«. Adzan bestätigt: »Für die Schaltfrequenz gilt sicher: je geringer desto besser. Aber dann werden die reaktiven Bauelemente größer.«

Die Erklärung liegt in der Physik: Bei gleich bleibender Wandlerleistung werden die Energiemengen bei steigender Wandlerfrequenz zunehmend feiner »portioniert« - die pro Schaltzyklus übertragene Energie sinkt. Es muss also weniger Energie zwischengespeichert werden. Das schaffen kleine Induktivitäten und Kapazitäten gut. Mit sinkender Frequenz würde man umgekehrt die zwischengespeicherte Energie vergrößern. Das bedeutet, dass vor allem die Induktivität steigen muss. Und auch die Kapazität des Ausgangskondensators muss größer werden, weil die Kondensatorladung sonst schon weitestgehend abgeflossen wäre, bevor neue Ladung nachfließt: Die Restwelligkeit des Laststroms würde stark steigen.

Sowohl Kostenüberlegungen als auch technische Argumente setzen also dem Senken der Schaltfrequenz alsbald Grenzen. So wäre es notwendig, angesichts der hohen Kondensatorkapazität elektrolytische Typen einzusetzen. Die weisen aber höhere Verluste auf. »Keramikkondensatoren sind besser als Elkos«, bringt es Adzan auf den Punkt.

Berns erklärt hinsichtlich der Spule: »Eine niedrige Schaltfrequenz macht den Einsatz größerer Spulen nötig. Das bedeutet, dass man mehr Wicklungen, also mehr Kupferverluste hat. Auch ist mit mehr Skin-Effekt zu rechnen. Eventuell muss man deshalb mit Mehrfachlitze wickeln, was sehr aufwändig und nur selten gerechtfertigt ist.«

Wandlereffizienz ist nicht allein selig machend

Berns warnt auch davor, allzu sehr nur die Wandlereffizienz als Qualitätsmerkmal zu sehen: »Natürlich hat es eine Bedeutung, ob 2 oder 4 Prozent der Energie im Wandler verloren gehen. Aber eine Steigerung von 96 auf 98 Prozent ist aufwändig und kostet Geld. Oft ist es jedoch mit weitaus weniger Aufwand möglich, in der Applikation gleich viel oder gar mehr Energie zu sparen«. Ahlendorf betont auch in dieser Hinsicht die große Bedeutung der Applikation und stellt für den Zusatzaufwand fest: »Es ist eine Art exponentielle Funktion: 90 Prozent sind leicht erreichbar, 95 Prozent kosten viel mehr Aufwand, und 98 Prozent kosten sehr viel mehr.« Man muss sich also immer überlegen, ob sich der Zusatzaufwand lohnt. Ahlendorf gibt dabei auch zu bedenken: »Es ist oft nicht so einfach zu sagen, wie viel eine bestimmte Verbesserung kosten würde. Das hängt ebenfalls sehr von der Applikation ab. Meistens wird ein Kompromiss aus Preis/Effizienz und Baugröße geschlossen. Wenn allerdings feststeht, dass eine Verbesserung gemacht werden muss, ist das ein schönes Arbeitsgebiet für Ingenieure!«