Energiesegment

Leistungs- und Energieeffizienz

Immer eingeschaltete Geräte

Die Leistungselektronik deckt einen großen Bereich ab, von Nanowatt bis Kilowatt. Jedoch teilen Designs auf allen Leistungsebenen ein gemeinsames Ziel, nämlich die Verbesserung der Effizienz. In diesem Artikel teilen Ingenieure von Tektronix ihre Ansichten zu den aufkommenden Trends in der Leistungselektronik-Entwicklung.

Wenn es um Effizienz im Akkubetrieb geht, denkt man sofort an Mobilgeräte. Wir erwarten eine Sprechzeit von mindestens 8 Stunden auf einem Handy und das in einem kompakten, leistungsfähigen Format. Der Ericsson Mobility Report von November 2017 weist darauf hin, dass derzeit über 5 Milliarden mobile Breitband-Abonnements bestehen.

Während Smartphones zweifellos Energieverwaltungs- und Akkutechnologien vorantreiben werden, testet eine neue Klasse vernetzter Geräte die Grenzen der Energieverwaltung. Bis 2020 wird es voraussichtlich 24 Milliarden IoT-Geräte geben, die mittels Drahtlostechnologie miteinander vernetzt sind.

Durch die Kombination eines 2281S-20-6 mit einem DMM7510 wird eine Komplettlösung geschaffen, mit der der Stromverbrauch/Akkunutzungsdauer ausgewertet werden kann.

 

Viele dieser Geräte haben kein Zugriff auf das Stromnetz und alle Geräte müssen zumindest teilweise konstant eingeschaltet bleiben. Und genau aus dem Grund, da die IoT-Geräte kontinuierlich eingeschaltet bleiben, werden neue Lösungen für die Energieverwaltung und -messung benötigt. „Wenn zum Beispiel ein IoT-Gerät entwickelt wird, das auf einer Ölplattform angebracht werden soll: Dort gibt es keine Stromleitungen und das Gerät wird vermutlich mit einem Akku betrieben“, so Jay Shah, Ingenieur bei Tektronix. „Bei all diesen IoT-Geräten müssen in jedem Fall Überlegungen hinsichtlich des Stromverbrauchs in Betracht gezogen werden.

Battery-lifeIm Tiefschlafmodus fällt der Verbrauch in den Nano- und Picoampere-Bereich.
In diesem Modus verbrauchen viele IoT-Geräte Strom im Nano- und Picoampere-Bereich, wenn sie jedoch messen und Daten übertragen, können sie Bruchteile eines Amperes aufnehmen.
Natürlich ist die Bestimmung des Energieverbrauchs dieser Geräte absolut wichtig, jedoch macht der extrem breite Betriebsbereich von IoT-Sensoren die Charakterisierung des Leistungsprofils zu einer besonderen Herausforderung“, erläutert Shah.

Der Wettkampf internationaler Standards

Als Reaktion auf den Klimawandel entwickeln Regierungen derzeit neue, strengere Effizienzstandards. Leider sind das rasante Tempo, in dem diese Standards veröffentlicht werden, und die Anzahl der involvierten Parteien ausreichend, um selbst die erfahrensten Entwickler ein wenig verwirrt dastehen zu lassen. Nehmen wir als Beispiel die Effizienzstandards für externe Stromversorgungen (EPS, External Power Supply), umgangssprachlich auch als „Steckernetzteile“ oder „Bricks“ bezeichnet.

Battery-lifeGeringere Standby-Leistung
2016 veröffentlichte das US-amerikanische Department of Energy (DOE) neue Effizienzstandards. Europa geht mit der Veröffentlichung strenger Ecodesign-Richtlinien einen Schritt weiter. Daher entscheiden sich Entwickler für höhere Effizienzen, wodurch ein höherer Testaufwand nötig ist, insbesondere für Stromversorgungen.
Und der Wettbewerb der Standards ist nicht nur auf externe Stromversorgungen beschränkt. Es werden stets neue oder überarbeitete Standards für Haushaltsgeräte, Industrieanlagen und Klimaanlagen veröffentlicht. Die Standards kommen von vielen unterschiedlichen Behörden, von denen jede über ihre eigene Gesetzgebung verfügt. Neben den US- und EU-Behörden war auch die chinesische CQC in der Entwicklung von Standards aktiv. Die California Energy Commission hat eine proaktive Haltung zu Energiestandards, welche die des US-amerikanischen DOE übertreffen. Diese Standards ändern sich regelmäßig, daher müssen die Entwicklung stets auf dem Laufenden bleiben.

Elektrifizierung von Fahrzeugen

Ein weiterer Trend, der die Anforderungen der Leistungselektronik beeinflusst, tritt in der Automobilbranche auf. Viele Mitarbeiter der Automobilindustrie sagen voraus, dass Elektrofahrzeuge die mit Verbrennungsmotor angetriebenen Autos letztendlich ersetzen werden. DC/AC-Wandler und Batteriemanagementsysteme sind für die Traktionssysteme in diesen Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung, jedoch gibt es hier auch einige Trends, die weniger offensichtlich sind.

Da nun in allen modernen Autos mittlerweile Elektronik verbaut wird, müssen sich Entwickler nun eingehend mit der Eingrenzung des Stromverbrauchs befassen. Das „Always-on“-Problem des IoT gibt es auch in vielen Fahrzeugmodulen. Auch wenn ein Auto abgeschaltet wird, arbeiten viele Systeme weiterhin im Schlafmodus. Tatsächlich würden viele bestreiten, dass ein Auto zu den komplexesten IoT-Geräten gehört! Selbst in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor müssen Entwickler in puncto Sicherheit und Komfort immer höhere Maßstäbe setzen, ohne die Batterie zu entleeren.

Auf dem Weg zu vollelektrischen Fahrzeugen begegnen wir mit hoher Wahrscheinlichkeit verschiedenen Formen von Hybridmodellen. Diese Fahrzeuge enthalten komplexe Leistungsumwandlungs- und Managementsysteme. Im Gegensatz zum bald veralteten 12-V-System enthalten die Hybridelektrofahrzeuge und Elektrofahrzeuge der Zukunft mehrere Energiebusse. Einige benötigen eine bidirektionale DC/DC-Umwandlung, da der Strom von Anlassern/Generatoren, regenerativen Bremsen, Batterien oder sogar Solarzellen kommt.

Der große Wechsel zu SiC und GaN

Die Leistungselektronik erfährt in den nächsten fünf Jahren eine fulminante Weiterentwicklung, da Halbleitertechnologien mit breiter Bandlücke immer häufiger Verwendung finden. Neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten im Gegensatz zu Silizium eine bessere thermische Leitfähigkeit, höhere Schaltgeschwindigkeiten und ermöglichen physisch kleinere Geräte.

Mit diesem Wechsel in den grundlegenden Bausteinen der Stromversorgungen werden derzeit immer mehr neue Entwicklungen hervorgebracht. GaN soll die Welt der Stromversorgungen in der Elektronik (ca. < 100 W) verändern. Die GaN-Technologie hat auch erheblichen Einfluss auf das Gebiet der HF-Leistungsverstärker. Dies ist u. a. vielen Eigenschaften zu verdanken, die sie für die Leistungsumwandlung geeignet machen. SiC findet in Designs mit höherem Stromverbrauch Anwendung, z. B. in Motoren, Antrieben und Invertern. „In diesem Jahr kam es zu einer großen Wende mit Siliziumkarbid, das in vielen kommerziellen Produkten eingesetzt wurde“, so Tom Neville, Ingenieur bei Tektronix. „Ich denke, GaNs liegen dagegen im Hintertreffen. Der Kostenfaktor spielt dabei definitiv eine Rolle, ebenso wie die Zuverlässigkeit.“
Die Halbleiterindustrie arbeitet daran, diese neuen Leistungsgeräte mit breiter Bandlücke weiterzuentwickeln und zu fördern. F&E-Ingenieure für Halbleiter sind derzeit mit der Validierung und Charakterisierung neuer Komponenten beschäftigt.Treiberhersteller entwickeln derzeit neue Gate-Treiber, um den Nachfragen nach schnellerem Schalten, EMV-Management und ausgefeilteren Topologien gerecht zu werden. Die Fertigungstechniker in diesen Unternehmen haben es mit den Herausforderungen der Wafer-Tests zu tun – dabei müssen sie kleinere Geräte über breitere Spannungs- und Strombereiche als jemals zuvor testen.

Am anderen Ende der Wertschöpfungskette arbeiten Entwickler von Stromversorgungen daran, die Vorteile von GaN- und SiC-Geräten (Leistungsumwandlungsdesigns) vollständig zu nutzen. Die Faustregeln, die für Silizium-MOSFETs gelten, müssen derzeit überarbeitet werden. Entwickler sind momentan dabei, die Totzeiten in Halbbrückenschaltern und somit Schaltverluste zu minimieren. Es ist von entscheidender Bedeutung, die dynamische Spannung und Stromstärke während der gesamten Entwicklung genau überwachen und beurteilen zu können, jedoch gestaltet sich dies aufgrund von Gleichtaktspannungen und kurzen Anstiegszeiten schwierig.
IsovuNeue Tastkopfmessverfahren decken Einzelheiten über Vorgänge im Design auf, die zuvor noch verborgen geblieben waren.
„Testverfahren sind nun deutlich wichtiger, als dies früher der Fall gewesen ist“, so Seshank Malap, Ingenieur bei Tektronix. „Da Leistungselektronik und Effizienz zu so einem entscheidenden Punkt geworden sind, gehen die Entwickler nun so weit, dass sie für Anwendungen zur Leistungsumwandlung die kleinstmöglichen Geräte verwenden. An dieser Stelle spielen Tests und Messungen eine besonders wichtige Rolle. Schaltet sich Ihr Gate genau dann ein, wenn Sie es möchten? Haben Sie das exakte Tastverhältnis erreicht, um mit Ihrem Design die bestmögliche Effizienz zu erzielen? Führt das Leistungsbauteil möglichst viel Wärme ab, ohne dass eine Kühlung notwendig ist?“
„Und nicht nur das Bauteil, sondern auch der gesamte Schaltkreis“, fügt Shah hinzu. „Denn dann müssen die mehrere Signale gleichzeitig koordinieren, um zu erkennen, ob sie ihren Zweck erfüllen und das Bauteil nicht einschalten, wenn sie dies nicht tun sollten.“

Laut Malap werden veraltete Testwerkzeuge und -verfahren für die sich stets verändernden Trends in der Leistungselektronik-Entwicklung einfach nicht mehr ausreichen. „Beim herkömmlichen Entwickeln und Testen von Leistungswandlern würde man nur auf ein paar einzelne Signale achten und ungefähr Schätzen, wie sich andere Signale verhalten würden“, erläutert er. „Viel mehr würde man nicht tun. Diese Idee ist nicht nur schlecht, sondern katastrophal, da das Gerät eventuell zerstört werden kann.“

Nutzung der sechsten Welle

Die Welt wird immer vernetzter. Genauso wie unsere Technologie an diesen Umstand angepasst wird, muss dies auch mit unseren Engineering-Werkzeugen und Verfahren passieren. Ohne die Möglichkeit, kritische Werte zu messen und die Funktionalität wichtiger Geräte sicherzustellen, kann unser Fortschritt nur bis zu einem bestimmten Punkt gehen.

„Bei all diesen Herausforderungen stellt sich nun wieder die Frage, wie sich der Energieverbrauch und die allgemeine Leistungsverarbeitung optimieren lassen, was momentan eine sehr faszinierende Fragestellung ist“.

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