Vielfalt der Stromversorgungen

Die Vielfalt von Stromversorgungen für elektronische Systeme ist überraschend groß.
Die Bandbreite der Implementierung elektronischer Stromversorgungen zeigt sich nirgendwo deutlicher als bei den Herstellern kundenspezifischer Lösungen. Sie kommen überall dort zum Zug, wo Anforderungen existieren, die sich nicht durch Lösungen von der Stange abbilden lassen. Wer eine Stromversorgung mit spezifischen, auf das Endprodukt und den Markt zugeschnittenen Merkmalen benötigt, ist bei inpotron Schaltnetzteile GmbH an der richtigen Adresse.

Das Unternehmen liefert nicht nur Standard-Netzteile, sondern ist als Spezialist für die Entwicklung und Fertigung von individuell maßgeschneiderten Stromversorgungen und DC/DC-Wandlern immer wieder gefordert, sich mit neuen Herausforderungen auseinander-zusetzen und sich insbesondere mit den besonderen Marktgegebenheiten der Anwendungen zu befassen. Für die Entwickler ergeben sich so immer wieder spannende, neue Themen. Im besonderen Fokus nahezu aller Projekte steht die Vermeidung von Verlusten, also ein hoher Wirkungsgrad.

Mit seinem starken Entwicklungsteam und seiner vielfältigen Kompetenz beliefert inpotron ein breites Spektrum von Kunden aus unterschiedlichen Branchen. Die Bandbreite der Lösungen reicht von Industriesteuerungen über Gebäudesystemtechnik und Medizintechnik bis hin zu LED-Beleuchtung und Kommunikations- und Medientechnik. Die hohe Kompetenz von inpotrons Entwicklung findet ihre Fortsetzung in einer tiefen und für alle Belange der Fertigung und Logistik optimierten Wertschöpfungskette. Die gesamte Organisation des Unternehmens orientiert sich an dem Gedanken, komplette Lösungen anzubieten. Die folgenden Beispiele illustrieren die technologische Diversität und Lösungsvielfalt realer Entwicklungen aus dem Hause inpotron.

Die Stromversorgung (PSU) für eine professionelle LED-Beleuchtung weist eine Reihe von technologischen „Leckerbissen“ auf, aus denen sich das hohe technische Niveau des Geräts ersehen lässt. Die Wärmeabfuhr erfolgt über die Gerätegrundplatte, welche wiederum thermisch an den Kundenkühlkörper angebunden ist. Weil das Gerät mit einem geschlossenen Gehäuse versehen ist, war es notwendig, die Bauteile für die entsprechend erhöhte Innenraumtemperatur auszulegen. Eine reine Kontaktkühlung für die vergleichsweise kleine Bauform bedingte einige konstruktiver Kniffe die thermisch belasteten Komponenten mit einer dauerhaft guten Wärmekopplung zu kühlen. Noch wichtiger war die Umsetzung eines sehr hohen Wirkungsgrades von über 95%, also die Vermeidung von Verlusten. Mit Einsatz von SiC-Bauteilen in der CCM-Leistungsfaktorkorrektur und einem folgenden LLC Resonanzwandlers, einer aktiven Einschaltstrombegrenzung und aktiver Gleichrichtung konnte die Effizienz erreicht werden. Zudem legten die Entwickler ein besonderes Augenmerk darauf, Vibrationen und damit Geräusche gar nicht erst entstehen zu lassen.

Besonderheiten in der Designphase:

Die Wärmeanbindung stellte sich phasenweise als herausfordernd dar. Nicht nur die hohe Leistung der Stromversorgung, sondern auch die Eigenwärme der Kundenanwendung hatte einen hohen Wärmeeintrag zur Folge. In Zusammenarbeit mit dem Kunden, nach intensiven Klimatests und durch ein effektives Wärmemanagement konnten diese Probleme gelöst werden.

Das breite Spektrum der spezifischen Sicherheits- und EMV-Normen für den weltweiten Einsatz stellte für den Entwickler und das Team Produktzertifizierung eine Herausforderung dar, die mit Routine und Struktur bewältigt werden konnte.

Zur Kommunikation der PSU mit der Kundenanwendung wird ein PM-Bus eingesetzt. Hierüber werden dem Kunden Daten aus dem Netzteil zur Analyse der Betriebszustände wie Temperatur, Belastung und vieles mehr zur Verfügung gestellt.

Bereits die Konzeption der o.g. dargestellten PSU sah nahezu die doppelte Leistung im Vergleich zum Vorgängermodell vor – bei gleichem Bauraum. Um diese Forderung umzusetzen, war ein besonderer Fokus der Entwicklung auf die Vermeidung von Verlusten und das Wärmemanagement zu legen. Die Wärmeabfuhr bei der geforderten maximalen Umgebungstemperatur unter Einhaltung der Grenzwerte der verwendeten Bauteile wurde über eine thermische Kopplung zum Gehäuse mit sehr geringem kapazitivem Anteil realisiert.

In diesem Projekt setzten die inpotron-Entwickler eine brückenlose (bridgeless) Leistungsfaktor-Korrektur ein. Die EMV-Effekte aufgrund der floatenden Masse im Zwischenkreis verlangten im Konzept eine besondere Aufmerksamkeit. Die Einhaltung der geforderten Grenzwerte hinsichtlich der Störaussendung des Produkts in Verbindung mit der Kundenapplikation erwiesen sich als besondere technische Herausforderung. Letztendlich konnte inpotrons Entwicklerteam sämtliche Aufgaben erfolgreich lösen. Eine zentrale Bedeutung kommt dabei dem sehr hohen Wirkungsgrad zu. Einen wichtigen Anteil am Projekterfolg hatten zudem die ausgefeilten Fertigungshilfsmittel – einfach zu bedienende Prüfadapter beschleunigten den Prüfablauf ungemein.

Bei diesem beschriebenen Netzteil erfordert die senkrechte Einbaulage in einem Aluminium-Umgehäuse ohne Lüftungsöffnungen einen hohen Wirkungsgrad, um die Wärmeerzeugung niedrig zu halten. Dieser hohe Wirkungsgrad konnte letztlich erreicht werden. Er erreicht auch bei niedrigen Versorgungsspannungen noch mehr als 91%. Die kundenseitige Forderung nach einer Strombegrenzung entsprechend NEC Class II für jeden einzelnen Ausgang setzten die inpotron-Entwickler mit einem Microcontroller für Timing und Strommessung um. Die Softwarekalibrierung nahe an der zulässigen Leistungsgrenze von 100W je Ausgang erfolgt während des Endtests. Mit der normativ geforderten Redundanz im Fehlerfall konnte inpotron somit eine charmante, technologisch besonders anspruchsvolle Lösung generieren.

Dieser potentialgetrennte DC/DC-Wandler ist für den Einsatz in der Industrieelektronik. Die Stromversorgungseinheit erzielt in der kompakten Bauform inklusive Class-B-EMV-Filter, primärseitigem Verpolungsschutz und Inrush Current Limiter einen hohen Wirkungsgrad von 94%, der auch bei Teillast von 10% noch über 92% liegt. Die primärseitige Versorgungsspannung wird mit einer Zu- und Abschalthysterese von 1V bei typ. 8,5V zugeschaltet und bei 7,5V abgeschaltet. Der aktive Verpolungsschutz führt dazu, dass ein Fehlanschluss keinen Defekt nach sich zieht, und auch negative Surge-Impulse belasten somit den Wandler nicht. Der integrierte Einschaltstrombegrenzer verhindert eine impulsförmige Belastung der speisenden Quelle.

Die Vielfalt der Anwendungen und Märkte erlaubt es, ein breiteres Wissen für die Kundenwünsche aufzubauen. Dieses Wissen muss sich das entwickelnde Unternehmen aktiv aneignen. Denn die Normungswelt für – zum Beispiel – medizinische Produkte ist nun einmal konträr zu einer industriellen, möglicherweise obendrein noch explosionsgeschützten Anwendung. Auch KNX-Netzteile unterliegen anderen normativen Gesetzgebungen als Netzteile für die Gebäudetechnik, LED-Treiber oder für Messsysteme. Die Anforderungen für den Einsatz in Zügen, Gabelstaplern oder LKWs sind ebenfalls sehr spezifisch und unterscheiden sich deutlich von denen für industrielle Produkte. Hinzu kommen regionale Unterschiede: Produkte für den Einsatz in den USA können durchaus signifikante Unterschiede zu Geräten mit gleicher Aufgabenstellung, jedoch für den Einsatz in Europa, China oder Japan aufweisen.

Technologisch spannende Herausforderungen kommen immer wieder aus den neuen Märkten. Beispiele sind Anwendungen für Smart City oder Industrie 4.0. Hohe Kompaktheit mit Benchmark-Wirkungsgraden bei Umgebungstemperaturen bis zu +85°C über den gesamten Last- und Eingangsspannungsbereich ohne aktive Belüftung sind dabei heute einfach ein Muss.

Ingenieurtechnisch interessant sind auch Stromversorgungen, die ein hohes Maß an Ausfall-sicherheit gewährleisten müssen. Diese sind typischerweise mit zwei Spannungseingängen zur Sicherstellung der Versorgungsredundanz ausgestattet. Zudem muss die DC-Speisung eine sehr hohe Störfestigkeit aufweisen; üblich sind bis zu 2kV symmetrisch und 4kV asymmetrisch. Die Entkopplung wird dabei mit aktiven Elementen (MOSFETs) realisiert, die gegen negative energiereiche Impulse zu schützen sind.

Durchaus eine Herausforderung für Schaltungsentwickler von DC-gespeisten Netzteilen liegt auch in der Implementierung von Überbrückungszeiten bis zu 100ms über den gesamten Eingangsspannungsbereich.

Eingangsspannungs- (Uin)-Bereiche von 48V DC bis 270V AC ermöglichen dem Kunden eine maximale Flexibilität. Für den Entwickler ist diese Aufgabe technisch natürlich so umzusetzen, dass es thermisch und funktionell keine Überraschungen gibt.

Die Übermittlung von Echtzeitdaten aus den Netzteilen zur Erfassung von Betriebszuständen, Steuerung der Auslastung oder als Messlatte für eine mögliche Wartung wird von den Kunden immer häufiger gefordert. Die Schnittstellen sind dabei sehr unterschiedlich.

Bei der Entwicklung von LED-Treibern ist die jeweils neueste DALI-Software und Update-fähigkeit ebenso ein dauerhaftes Thema wie hohe Kompaktheit, Mehrkanaligkeit und Modularität und – last but not least – eine garantiert hohe Zuverlässigkeit. Natürlich sind diese Geräte inrush-free auszulegen und mit OVC III auszustatten. Flickerfreie CC-Treiber sind ebenso selbstverständlich.

Dreiphasige Versorgungsspannungen im Bereich von 250 bis 690V AC sind ebenso zu beherrschen wie ein DC-Eingangsspannungsbereich von 6 bis 60V. Damit nicht genug: Ganz gleich, wie hoch oder wie niedrig die Eingangsspannung ist, beim Wirkungsgrad werden keine Einbußen toleriert.

Zusatzelektronik für die Kundenapplikation setzt inpotron häufig um – ob es sich nun um eine Polaritätsumschaltung mit linearer, steuerbarer Ausgangsspannung handelt, eine integrierte Motorbrücke für einen Stellantrieb oder eine MC-Schaltung, die bei der Kundenelektronik keinen Platz mehr fand.

Peak-Power-Anwendungen für motorische DC-Antriebe in kompakter Bauform sind durch die deutlich einfachere Steuerbarkeit gegenüber AC-Motoren stark im Kommen.