Alexander Gerfer CTO von Würth Elektronik eiSos, eiSos@we-online.de

Bild: Würth Elektronik eiSos

Passive Bauelemente & Elektromechanik Energieeffizienz fängt im Kleinen an

21.10.2015

Energieeffizienz ist das bestimmende Thema in der Elektronik. Und gerade dort, wo Produkte keine Verbindung zum Stromnetz haben, ist das energieeffiziente Design das Maß der Dinge. Das ist neben der Batterie- oder Akkulebensdauer eines der Topthemen der E-Mobilität.

Ein geringer Energieverbrauch ist ein Verkaufsargument – und so wird Energieeffizienz ein Thema, das sich durchzieht bis zu den elektronischen Schaltungen und Bauelementen. In einer großen Gruppe von Geräten ist Energieeffizienz sogar das Maß aller Dinge: Bei mobilen Geräten ist die Nutzbarkeit von der Batterielebensdauer abhängig. Je energieeffizienter das Gerät aufgebaut ist, desto länger steht es bereit, bei gegebener Akku- oder Batteriekapazität. Die Vermeidung von Verlusten im Design vereinfacht das Wärmemanagement und ermöglicht weitere Miniaturisierung im Gesamtdesign.

Die Basis für energieeffiziente Geräte wird mit der jeweiligen Energieversorgung beziehungsweise dem Netzteil gelegt. Waren früher noch Linearregler die meistverwendeten Spannungsregler, so sind in der modernen Leistungselektronik überwiegend Schaltnetzteile zu finden. Vor Kurzem waren noch Schaltfrequenzen bis 300 kHz verbreitet. Moderne Schaltregler takten mit Frequenzen von 1 MHz und mehr. Die Beherrschung der gesamten Verluste der getakteten Netzteile stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Verluste im Halbleiterschalter, ebenso wie die Gesamtverluste der verwendeten Speicherinduktivitäten.

In modernen Topologien halten neue Halbleitertechnologien wie SiC oder GaN immer mehr Einzug. Auch im Bereich der Speicherinduktivitäten lassen sich durch neue Materialmischungen und Fertigungstechnologien die Verluste drastisch reduzieren. Einher geht damit meist auch eine weitere Verkleinerung der Bauform, wie es aktuelle SMD-Speicherdrosseln beweisen.

Doch mit neuen Materialien kommen neue Herausforderungen. Konnte man für NiZn- und MnZn-Kerne die Kernverluste noch mit den Steinmetzformeln berechnen, so bestehen moderne Induktivitäten aus einer Kombination mehrerer Materialien. Insbesondere bei modernen Eisenlegierungen stößt man mit klassischen Berechnungsmethoden schnell an die Grenzen.

Allerdings gibt es bereits eine Alternative, die vielleicht Vorbildcharakter hat: Red Expert, ein AC-Verlustrechner, der nicht auf Steinmetzmodellen mit Sinusanregung basiert, sondern von Messungen der Speicherdrosseln in einem Schaltregleraufbau abgeleitet und validiert wurde. Die von diesem Simulator ermittelten Verluste basieren auf applikationstypischen Strom- und Spannungsformen. Sie beinhalten neben den Kern- und Wicklungsverlusten auch Verluste, die durch die spezifischen Geometrien der Induktivität, wie dem Luftspalt, entstehen. Damit gewinnen die Verlustrechnungen deutlich an Präzision. Der Entwickler hat zum ersten Mal präzise Aussagen zum Verhalten des Bauteils im Blick: Neben Sättigungs- und Eigenerwärmungsverhalten auch konkrete Daten zu Gleich- und Wechselstromverlusten in der jeweiligen Applikation. Das Beispiel zeigt: Neue Materialien bieten verbesserte Eigenschaften. Aber um diese nutzen zu können, braucht es weitere Innovationen an anderer Stelle – wie bei den Berechnungsmodellen.

Im Bereich der eMobility stehen diese Herausforderungen im Vordergrund. Die Akzeptanz der Kunden steigt mit der verfügbaren Reichweite des Fahrzeuges. Wir sponsern hier das Team ABT, das einzig deutsche Team der Formula-E-Rennserie der FIA für Elektroautos. Die Technologiepartnerschaft soll weitere Verbesserungen an unseren Bauteilserien beschleunigen. Der Einsatz im Rennwagen ist ein Härtetest für die Elektronik und kann uns Entwicklern aufschlussreichen Input für weitere Entwicklungen liefern.

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