Dieser Artikel erarbeitet aus der Historie der Netzteile eine Zukunftsvision. Sie lernen, wieso Effizienz wichtig ist, was die Lebensdauer von Netzteilen beeinflusst und wie mit dem Konzept “Software Defined Power” digitale Netzteile umgesetzt werden können?
Was sind Netzteile?
Netzteile sind Geräte, die die unregulierte Spannung des Netztes in eine für Verbraucher geeignete Form umwandeln. In der Regel handelt es sich dabei um eine Spannung, jedoch kann es bei LED-Treibern auch Strom sein. In einigen spezialisierten Anwendungen ist ein Hochfrequenzausgang erforderlich, beispielsweise um Mikrowellen zu erzeugen.
Die Geschichte der Netzteile
Ursprünglich bestand ein Netzteil aus einem Eisenkerntrafo mit Brückengleichrichter, der anfänglich Röhrengleichrichter (ab ca. 1920) verwendete. Diese wurden später durch Selen, Gallium und schließlich Siliziumdioden (ab ca. 1960) ersetzt.
Im Verbrauchermarkt wurden Netzteile in den 2000er-Jahren zunehmend kompakter gestaltet, indem sie nicht mehr auf 50-Hz-Trafos, sondern auf Hochfrequenztransformatoren setzten. Dies wurde durch Transistoren ermöglicht, die höhere Schaltspannungen zuließen. Die Integration schritt voran, von anfänglichen Regelungen mit Operationsverstärkern bis hin zur Integration in ICs. Dieser Trend wird sich in Zukunft fortsetzen.
Die Digitaltechnik wird ebenfalls an Bedeutung gewinnen. Einige Halbleiterhersteller bieten bereits digitale Flyback-Controller an. Da diesen meist die erforderliche Rechenkapazität fehlt, werden die Schaltreglerfunktionen als Analogschaltung integriert.
Der Wandel zur Digitaltechnik wird sich weiter fortsetzen. Hersteller wie Digital Power Systems entwickeln hier Regelalogithmen die auf standardmäßigen Halbleitercontrollern arbeitet. Hier sind sowohl Standard– als auch kundenspezifische Produkte erhältlich.
Der Innovationsmotor bei Schaltnetzteilen: Die Halbleitertechnik
Innovationen im Bereich Schaltnetzteile lassen sich großteils auf Fortschritten in der Halbleitertechnik zurückführen, während sich passive Komponenten wie Indutivitiäten oder Folienkondensatoren technisch nur wenig weiterentwickelt haben.
Die Integration, ermöglicht durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie ermöglichen beispielsweise ICs, die die sekundärseitige Gleichrichtung mit Low-Voltage-Mosfets erlauben. Neue Halbleitermaterien, wie SiC- und GaN, tragen durch verbesserte Bauteileigenschaften ebenfalls zur Innovation bei Schaltnetzteilen bei. Schnellere Schaltfrequenzen im MHz-Bereich werden die Netzteile weiter verkleinern, und kompakte GaN-basierte Netzteile werden im Verbrauchermarkt zunehmend präsent sein. Erste GaN Ladegeräte für Laptops sind beispielsweise bereits verfügbar.
Die Digitalisierung, insbesondere die Verfügbarkeit leistungsstarker Mikrocontroller zu niedrigen Kosten, eröffnet neue Möglichkeiten. Entwickler können Daten nutzen, um leistungsfähigere Regelungen aufzubauen.
Auf schaltungstechnischer Ebene, der sogenannten Topologieebene, gibt es ebenfalls Innovationen. Neue Topologien verzichten auf den Netzgleichrichter, und resonanzschaltende Topologien vermeiden Schaltverluste. Innovative Schaltungstopologien ermöglichen auch die Konstruktion einfach bidirektionaler Netzteile.
Effizienz – (K)Ein Gütekriterium für Langlebigkeit?
Die Umwandlungseffizienz AC-DC hat sich erheblich verbessert, von anfänglichen Wirkungsgraden von 60 % auf mittlerweile typische 95 %. Eine hohe Effizienz bedeutet nicht nur reduzierte Stromkosten und CO2-Einsparungen, sondern auch eine geringere Wärmeentwicklung. Letztere ist entscheidend, da die Lebensdauer von Stromversorgungseinheiten bei höheren Temperaturen abnimmt. Insbesondere Elektrolytkondensatoren reagieren sensibel auf Wärme. Obwohl es unterschiedliche Güteklassen gibt, sind sie noch immer für zahlreiche Geräteausfälle verantwortlich. Etablierte Hersteller, wie die Puls GmbH in München, ein Hersteller von Hutschienen-Stromversorgungen, wießen bereits 2012 in einer Application Note darauf hinwies, dass Elektrolytkondensatoren häufige Ausfallursachen sind. Daraufhin wurde ein spezielles Kühlungskonzept wurde entwickelt, um diesem Nachteil entgegenzuwirken. Grundlegende Änderungen im Schaltungskonzept wurden aber nicht unternommen.
Eine grundlegende und naheliegende Änderung ist es, auf den Elektrolytkondensator komplett zu verzichten. Moderne digitale Regelungstechnik und damit digitale Netzteile ermöglichen hier einen Quantensprung. Stromversorgungseinheiten, die Elektrolytkondensatoren komplett vermeiden. Diese werden durch Folienkondensatoren ersetzt. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) präsentierte hierzu einen speziellen Regelungstechnik-Algorithmus. Dieses Konzept inspirierte die Ausgründung Digital Power Systems.
Die Technologie hat sich sowohl technisch als aus kommerziell bewährt: Digital Power Systems Folienkondensatortechnologie hat mittlereweile Lebensdauern von über 70 Jahren demonstriert. Ferner wird diese Technologie in einer Vielzahl der digitalen Netzteile von Digital Power Systems integriert, wie beispielsweise dem DIG-CCCV-15W.
Die Digitalisierung als Möglichmacher
Ein weiterer Megatrend besteht darin, vermehrt Daten aufzunehmen und auszuwerten. Große Hersteller haben diesen Technologietrend bereits aufgegriffen und möchten durch die Nutzung von Daten den Anwendern neue Einsichten ermöglichen. Ein Beispiel hierfür sind die ProTop-Stromversorgungen der Firma Weidmüller. Viele weitere Hersteller bieten ähnliche Technologien an. Nun liegt es nahe, Algorithmen zu entwickeln, um diese Daten zu nutzen und automatisiert auszuwerten.
Jedoch sollte man an dieser Stelle nicht stehen bleiben, sondern weiter voranschreiten. Durch die Nutzung von Prozessoren können hochdynamische Regelungen aufgebaut werden. Daher liegt es nahe, analoge Regelschleifen nicht digital zu imitieren, sondern explizit digitale Regelungen zu nutzen. Durch präzise Systemkompetenz können für anspruchsvolle Anwendungen Eigenwertsregler aufgebaut werden, die hochdynamische Sprungantworten ermöglichen. Anstiegszeiten im Bereich unter 1 ms sind möglich.
Die meisten Stromversorgungseinheiten sind lediglich auf einen Arbeitspunkt optimiert. Digitale Netzteile können hier den Ausgangsbereich erweitern. Dies ist bereits bei Solarwechselrichtern zu beobachten, die über einen weiten Lastbereich einen Wirkungsgrad von 98 % bieten.
Digital defined Power als Chance
Der Markt für Stromversorgungseinheiten ist kostengetrieben. Daher wird es auch in der Zukunft entscheidend sein, neue Technologien zu bezahlbaren Preisen anzubieten, die einen entsprechenden Mehrwehrt liefern.
Allerdings ist der Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwand für Netzteile erheblich, je nach Norm. Daher liegt es nahe, eine Hardware als Grundausstattung anzubieten, die mittels Software angepasst werden kann. Daher fährt Digital Power Systems die Strategie: Eine Komponente, viele Möglichkeiten!
Beispielsweise könnte eine Hardwareplattform eine AC-DC-Einheit umfassen, die sowohl als Spannungs- als auch als Stromregler betrieben werden kann. So könnte eine Vielzahl von Lösungen auf Basis einer gemeinsamen Hardwareplattform abgedeckt werden. Ein Beispiel dafür ist z.B. das AC-DC Netzteil DIG-CCCV-15W, das verschiene Anwendungsfälle abdeckt. Oder der digitale DC/DC Wandler DIG-CCCV-48, der mit einer Hardware-Version eine vielzahl von Ausgangsspannungen ermöglicht.
Halbleiter als strategische Komponente
Zukünftig werden auch neue Prozessorgenerationen wie RISC-V viele Möglichkeiten bieten, noch mehr Rechenpower zu günstigen Konditionen zu erlangen. Bereits jetzt hat jetzt hat ein moderner MCU mehr Rechenleistung als ein Computer der 90er Jahre. Von daher können wir die nächsten Jahre viele spannende Innovationen erwarten. Eventuell gibt es bald MCUs mit integriertem Gate-Treiber? Oder ein Single-Chip Netzteil?
Alternativ ist es denkbar, dass Volumenhersteller von Netzteilen eigene ICs entwickeln, die diese Features ermöglichen. Hier gibt es Bewegungen wie OpenRoad, die es ermöglichen werden, auch kleinere Stückzahlen wirtschaftlich umzusetzten.
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