Design Überlegungen für leistungsstarke AC/DC Stromversorgungen
05.02.2019
Lesen Sie die wichtigsten Überlegungen zu Energielösungen im Bereich der leistungsstarken Automatisierung für die nächste Generation von Robotern und E-Mobilitätssystemen kennen.
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1. Einleitung
Der Zweck dieses Whitepapers besteht darin, die wichtigsten Überlegungen zu Energielösungen im Bereich der leistungsstarkern Automatisierung für die nächste Generation von Robotik- und E-Mobilitätssystemen aufzuzeigen. Diese Anwendungsgebiete werden durch die Konvergenz von fortschrittlicher Fertigung (auch bekannt als Smart Manufacturing, Industrie 4.0) und Telekommunikation (z.B. 5G & Beyond, Machine-to-Machine oder M2M-Kommunikation, Vehicle-to-Everything oder V2x-Kommunikation, Internet of Things (IoT), Industrial Internet of Things (IIoT), usw.) vorangetrieben.
Ein weiteres Hauptziel ist es, diese Überlegungen in einen fundierten Entscheidungsprozess für die Bewertung von Energielösungen einfließen zu lassen. Im Allgemeinen konzentriert sich dieses Whitepaper auf die Aspekte von Lösungen mit höherem Stromverbrauch, obwohl auch die Verbindung zu einer großen Anzahl von Geräten mit geringem Stromverbrauch und allgegenwärtiger Sensorik angesprochen wird.
Ein weiteres Hauptziel ist es, diese Überlegungen in einen fundierten Entscheidungsprozess für die Bewertung von Energielösungen einfließen zu lassen. Im Allgemeinen konzentriert sich dieses Whitepaper auf die Aspekte von Lösungen mit höherem Stromverbrauch, obwohl auch die Verbindung zu einer großen Anzahl von Geräten mit geringem Stromverbrauch und allgegenwärtiger Sensorik angesprochen wird.
Was bedeutet für Sie Hochleistung?
Bei der Diskussion über hohe bzw. niedrige Leistung ist es ratsam, zunächst einen Schritt zurückzutreten und zu definieren, was diese Begriffe bedeuten, denn sie können durchaus relativ sein und sind in der Branche nicht formal definiert (im Gegensatz zu Spannungspegeln beispielsweise). Wenn Sie im Bereich der Energietechnik an Umwandlern im Versorgungsmaßstab arbeiten, dann könnte ein System mit geringer Leistung in der Größenordnung von einem Megawatt liegen. Umgekehrt kann jemand, der im Bereich IoT/IIoT arbeitet, eine hohe Leistung in Betracht ziehen als ein System mit einem Budget von einem einzigen Watt oder sogar weniger.
Bitte denken Sie auch daran, dass „hohe Leistung“ nicht automatisch hohe Spannung und hohen Strom bedeutet. Spricht man mit anderen über Leistungspegel in Anwendungen, sollte man immer zuerst fragen, was für den Gesprächspartner „hohe Leistung“ bedeutet, und ihm einige Beispiele für Spannungs- und Strompegel in der betreffenden Anwendung nennen. Das hilft, die Situation zu klären und eine Menge Missverständnisse zu vermeiden.
Bitte denken Sie auch daran, dass „hohe Leistung“ nicht automatisch hohe Spannung und hohen Strom bedeutet. Spricht man mit anderen über Leistungspegel in Anwendungen, sollte man immer zuerst fragen, was für den Gesprächspartner „hohe Leistung“ bedeutet, und ihm einige Beispiele für Spannungs- und Strompegel in der betreffenden Anwendung nennen. Das hilft, die Situation zu klären und eine Menge Missverständnisse zu vermeiden.
Industrie 4.0 & E-Mobilität definieren die Energiewirtschaft neu
Industry 4.0 und e-mobility führen zu einem Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie Systeme (und damit auch Energielösungen) konzipiert und implementiert werden. Tatsächlich haben diese neuen Möglichkeiten zur Integration von Technologie und Energie in Systemlösungen große Auswirkungen auf die Lieferketten selbst, da ehemals disaggregierte Lösungen nun alle konvergieren und in automatisierten Systemen zusammenarbeiten müssen.
Ein autonomes Fahrzeug (AV) ist das Paradebeispiel dafür, denn es ist im Wesentlichen ein fortschrittliches elektromechanisches System, das integrierte Motorantriebe für den elektrischen Antriebsstrang mit Energiespeicherung/-management (E-Mobilität) mit einem allgegenwärtigen Sensornetzwerk, das intern/extern kommuniziert (IIoT/M2M) und immer mehr persönliche Unterhaltungsfunktionen (Infotainment) kombiniert. Das AV muss im Wesentlichen ein Datenzentrum/eine Netzwerk-Basisstation/ein Multimedia-Hub auf Rädern sein. Die wirtschaftliche Tragfähigkeit solcher Lösungen erfordert auch das Beste aus der Robotik und der Fabrikautomation, um neue Designs mit den sich verändernden Märkten zu verbinden. Angesichts der Mobilitätsanforderungen aller oben genannten Lösungen sind Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) entscheidende Faktoren.
Es gibt einige allgemeine Trends, die ziemlich universell sind, wie z.B. die Notwendigkeit, die Gesamtleistung des Systems und die Leistungsdichte zu erhöhen. Die Beleuchtung in der Fabrik kann ausgeschaltet werden, weil die Maschinen sie nicht benötigen (so genanntes ‘Dark Warehousing’), und die Wandler werden immer intelligenter und effizienter, aber die Gesamtrechnung für den Stromverbrauch wird trotzdem steigen, weil der Stromverbrauch tendenziell immer zunimmt, wenn man mehr Lasten hineinpackt. Dies gilt für winzige Stromversorgungssysteme, für allgegenwärtige IoT-Sensoren bis hin zu den größten Systemen für Roboterarme, auch wenn die Größe der Stromversorgungen selbst durch höhere Schaltfrequenzen schrumpfen kann, um die Größe der sperrigen Filterkomponenten zu verringern.
Da ständig neue Anwendungsbereiche gefunden werden, schrumpft das Gesamtleistungsbudget in der Regel nicht (oder bleibt sogar gleich), selbst bei verbesserter Leistungstechnologie, die die Leistungsdichte erhöht, um die Größe der Stromversorgungslösung zu verringern und die Wärmeverluste zu reduzieren.
Bei mobilen Anwendungen sind die Treibstoffkosten in der Regel ein wichtiges Kriterium für die Rentabilität der Anwendung. Ob es sich nun um ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Flugzeug oder einen elektrisch angetriebenen Zug handelt, jeder zurückgelegte Kilometer kann mit Kosten verbunden sein, die direkt in die Auswirkungen des Energieverbrauchs an Bord umgerechnet werden. Da sich bei Energielösungen alles um Energieumwandlung, Kommutierung und Regulierung dreht, sind die damit verbundenen SWaP-Faktoren bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten (TCO) sowohl mit den Investitionsausgaben (CAPEX) als auch mit den Betriebsausgaben (OPEX) eng verknüpft.
Ein autonomes Fahrzeug (AV) ist das Paradebeispiel dafür, denn es ist im Wesentlichen ein fortschrittliches elektromechanisches System, das integrierte Motorantriebe für den elektrischen Antriebsstrang mit Energiespeicherung/-management (E-Mobilität) mit einem allgegenwärtigen Sensornetzwerk, das intern/extern kommuniziert (IIoT/M2M) und immer mehr persönliche Unterhaltungsfunktionen (Infotainment) kombiniert. Das AV muss im Wesentlichen ein Datenzentrum/eine Netzwerk-Basisstation/ein Multimedia-Hub auf Rädern sein. Die wirtschaftliche Tragfähigkeit solcher Lösungen erfordert auch das Beste aus der Robotik und der Fabrikautomation, um neue Designs mit den sich verändernden Märkten zu verbinden. Angesichts der Mobilitätsanforderungen aller oben genannten Lösungen sind Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) entscheidende Faktoren.
Es gibt einige allgemeine Trends, die ziemlich universell sind, wie z.B. die Notwendigkeit, die Gesamtleistung des Systems und die Leistungsdichte zu erhöhen. Die Beleuchtung in der Fabrik kann ausgeschaltet werden, weil die Maschinen sie nicht benötigen (so genanntes ‘Dark Warehousing’), und die Wandler werden immer intelligenter und effizienter, aber die Gesamtrechnung für den Stromverbrauch wird trotzdem steigen, weil der Stromverbrauch tendenziell immer zunimmt, wenn man mehr Lasten hineinpackt. Dies gilt für winzige Stromversorgungssysteme, für allgegenwärtige IoT-Sensoren bis hin zu den größten Systemen für Roboterarme, auch wenn die Größe der Stromversorgungen selbst durch höhere Schaltfrequenzen schrumpfen kann, um die Größe der sperrigen Filterkomponenten zu verringern.
Da ständig neue Anwendungsbereiche gefunden werden, schrumpft das Gesamtleistungsbudget in der Regel nicht (oder bleibt sogar gleich), selbst bei verbesserter Leistungstechnologie, die die Leistungsdichte erhöht, um die Größe der Stromversorgungslösung zu verringern und die Wärmeverluste zu reduzieren.
Bei mobilen Anwendungen sind die Treibstoffkosten in der Regel ein wichtiges Kriterium für die Rentabilität der Anwendung. Ob es sich nun um ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Flugzeug oder einen elektrisch angetriebenen Zug handelt, jeder zurückgelegte Kilometer kann mit Kosten verbunden sein, die direkt in die Auswirkungen des Energieverbrauchs an Bord umgerechnet werden. Da sich bei Energielösungen alles um Energieumwandlung, Kommutierung und Regulierung dreht, sind die damit verbundenen SWaP-Faktoren bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten (TCO) sowohl mit den Investitionsausgaben (CAPEX) als auch mit den Betriebsausgaben (OPEX) eng verknüpft.
Für missionskritische Anwendungen, große Systeme und Transportanwendungen: Sicherheit hat absoluten Vorrang
Von verbesserten Isolationsniveaus bis hin zu viel strengeren Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie Schock- und Vibrationsfestigkeit unterliegen die meisten Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (insbesondere bei höherer Leistung) einer strengen und verwirrenden Reihe von Normen, die von einem Kunden gefordert und/oder von regionalen Vorschriften diktiert werden können. Die Erdung kann ziemlich kompliziert sein und ist für den Betrieb ebenso wichtig wie für die Sicherheit.
Diese Vorschriften gelten nicht nur für Anwendungen, die als kritisch angesehen werden, sondern dienen auch der Vermeidung von „negativen, lokal begrenzten, thermischen Ereignissen“ (auch bekannt als Brände). Wenn man mit den typischen Sicherheits- und Qualifikationsstandards einer Branche nicht vertraut ist, sollte man sich dort umsehen, bevor man mit dem Design der Stromversorgung beginnt.
Ein Beispiel wäre eine Stromversorgung, die für den Einbau in ein medizinisches Robotergerät entwickelt wurde, etwa einen Roboterarm, der einen Chirurgen bei seinen Operationen unterstützt, oder einen motorisierten Tisch, der einen Patienten anheben oder drehen kann, um den Zugang für einen medizinischen Eingriff zu verbessern. Die medizinischen Sicherheitsanforderungen sind wesentlich strenger als die für industrielle Anwendungen. Sie verlangen doppelte Bedienerschutzmittel (2MOOP) und doppelte Patientenschutzmittel (2MOPP) sowie höhere Isolationswiderstandsspannungen, größere Kriech- und Luftstrecken und strengere Leckstromgrenzwerte.
Diese Vorschriften gelten nicht nur für Anwendungen, die als kritisch angesehen werden, sondern dienen auch der Vermeidung von „negativen, lokal begrenzten, thermischen Ereignissen“ (auch bekannt als Brände). Wenn man mit den typischen Sicherheits- und Qualifikationsstandards einer Branche nicht vertraut ist, sollte man sich dort umsehen, bevor man mit dem Design der Stromversorgung beginnt.
Ein Beispiel wäre eine Stromversorgung, die für den Einbau in ein medizinisches Robotergerät entwickelt wurde, etwa einen Roboterarm, der einen Chirurgen bei seinen Operationen unterstützt, oder einen motorisierten Tisch, der einen Patienten anheben oder drehen kann, um den Zugang für einen medizinischen Eingriff zu verbessern. Die medizinischen Sicherheitsanforderungen sind wesentlich strenger als die für industrielle Anwendungen. Sie verlangen doppelte Bedienerschutzmittel (2MOOP) und doppelte Patientenschutzmittel (2MOPP) sowie höhere Isolationswiderstandsspannungen, größere Kriech- und Luftstrecken und strengere Leckstromgrenzwerte.
Die medizinischen EMV-Grenzwerte sind auch strenger, um die Möglichkeit zu verringern, dass sich benachbarte Geräte gegenseitig stören und die Sicherheit beeinträchtigen. Das alles bedeutet, dass eine industrielle Stromversorgung, die durchaus in der Lage ist, genügend Strom für die Anwendung eines medizinischen Roboters zu liefern, nicht verwendet werden darf, es sei denn, sie wird umfassend modifiziert, um die zusätzlichen, medizinischen Sicherheitsvorkehrungen zu erfüllen, d.h. das PCB-Layout, die Transformatorenkonstruktion und die EMV-Filterkomponenten werden komplett überarbeitet. Wenn man die erforderlichen Standards einer bestimmten Branche nicht versteht, kann das sehr teuer werden.
Wenn man viel Energie transportiert und gleichzeitig versucht, die SWaP-Faktoren zu maximieren, muss man in der Regel höhere Spannungen verwenden, da der ohmsche Leistungsverlust vom Quadrat des durch die Verbindungen und Leiter fließenden Stroms abhängt (I2R-Verlust), obwohl die Leistung direkt proportional zum Strom ist (P = I x U). Höhere Busspannungen können verwendet werden, um die ohmschen Verluste zu reduzieren, indem der Verteilerstrom für die gleiche Leistung minimiert wird. Dies kann zu einer Reihe von Herausforderungen für das Design der Stromversorgung führen. Eine davon ist, dass je höher die Spannung ist, desto größer der erforderliche Abstand (z.B. eine physisch größere Stromversorgung) und/oder desto größer die erforderliche Isolierung (z.B. eine schwerere, teurere Stromversorgung).
Bei sehr hohen Spannungen kann es zu Koronaeffekten kommen, die aufgrund der Ionisierung der Luft eine elektrische Entladung verursachen oder über nichtleitende Oberflächen wandern, wodurch Personen/Gegenstände, die nicht in direktem Kontakt mit dem stromführenden Leiter stehen, einen Stromschlag erleiden können.
Sicherheitsvorkehrungen gegen solche Gefahren müssen in das Design integriert werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Komponenten für höhere Spannungen ausgelegt sein müssen. Dadurch sind sie in der Regel sperriger, teurer und möglicherweise schwieriger zu beschaffen als ihre Gegenstücke für niedrigere Spannungen. Es ist also ein Gleichgewicht zwischen geringen Widerstandsverlusten und höheren Kosten/Komplexität erforderlich.
Wie bereits erwähnt, ist die Sicherheit bei den hier besprochenen Arten von Hochleistungsanwendungen absolut vorrangig. Ein „Zuverlässigkeitsfehler“ bei einer Hochspannungsversorgung kann schwere Verletzungen oder katastrophale Schäden an äußerst teuren Geräten (wenn auch in geringerem Maße) bedeuten.
Insbesondere wenn es um Hochspannungsanwendungen geht, sollten Sie Ihre Hausaufgaben in Bezug auf die entsprechenden Sicherheitsstandards machen und nicht versuchen, Hochspannungsdesigns auf Ihrer eigenen Werkbank zu basteln, wenn Sie nicht sicher sind, dass Sie die richtige Ausbildung und Ausrüstung haben.
Beginnen Sie am besten mit den Anforderungen an die Spannungsisolierung, Erdung und Ableitung für Ihre Anwendung, denn diese Anforderungen und Spezifikationen können Ihnen ein echtes Gefühl für die Gefahren vermitteln, die mit Unerfahrenheit in diesen Bereichen verbunden sind.
Wenn man viel Energie transportiert und gleichzeitig versucht, die SWaP-Faktoren zu maximieren, muss man in der Regel höhere Spannungen verwenden, da der ohmsche Leistungsverlust vom Quadrat des durch die Verbindungen und Leiter fließenden Stroms abhängt (I2R-Verlust), obwohl die Leistung direkt proportional zum Strom ist (P = I x U). Höhere Busspannungen können verwendet werden, um die ohmschen Verluste zu reduzieren, indem der Verteilerstrom für die gleiche Leistung minimiert wird. Dies kann zu einer Reihe von Herausforderungen für das Design der Stromversorgung führen. Eine davon ist, dass je höher die Spannung ist, desto größer der erforderliche Abstand (z.B. eine physisch größere Stromversorgung) und/oder desto größer die erforderliche Isolierung (z.B. eine schwerere, teurere Stromversorgung).
Bei sehr hohen Spannungen kann es zu Koronaeffekten kommen, die aufgrund der Ionisierung der Luft eine elektrische Entladung verursachen oder über nichtleitende Oberflächen wandern, wodurch Personen/Gegenstände, die nicht in direktem Kontakt mit dem stromführenden Leiter stehen, einen Stromschlag erleiden können.
Sicherheitsvorkehrungen gegen solche Gefahren müssen in das Design integriert werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Komponenten für höhere Spannungen ausgelegt sein müssen. Dadurch sind sie in der Regel sperriger, teurer und möglicherweise schwieriger zu beschaffen als ihre Gegenstücke für niedrigere Spannungen. Es ist also ein Gleichgewicht zwischen geringen Widerstandsverlusten und höheren Kosten/Komplexität erforderlich.
Wie bereits erwähnt, ist die Sicherheit bei den hier besprochenen Arten von Hochleistungsanwendungen absolut vorrangig. Ein „Zuverlässigkeitsfehler“ bei einer Hochspannungsversorgung kann schwere Verletzungen oder katastrophale Schäden an äußerst teuren Geräten (wenn auch in geringerem Maße) bedeuten.
Insbesondere wenn es um Hochspannungsanwendungen geht, sollten Sie Ihre Hausaufgaben in Bezug auf die entsprechenden Sicherheitsstandards machen und nicht versuchen, Hochspannungsdesigns auf Ihrer eigenen Werkbank zu basteln, wenn Sie nicht sicher sind, dass Sie die richtige Ausbildung und Ausrüstung haben.
Beginnen Sie am besten mit den Anforderungen an die Spannungsisolierung, Erdung und Ableitung für Ihre Anwendung, denn diese Anforderungen und Spezifikationen können Ihnen ein echtes Gefühl für die Gefahren vermitteln, die mit Unerfahrenheit in diesen Bereichen verbunden sind.
Moderne Anwendungen vereinen die Herausforderungen mehrerer Branchen in einer einzigen Anwendung
Diese Konvergenz von Strom, Computern und drahtloser Kommunikation erfordert ein anderes Denken und eine andere Wertschätzung für jedes einzelne Milliwatt in der so genannten Energiewertschöpfungskette (PVC), die einfach eine Darstellung des Energieflusses über alle Verteilungs-/Umwandlungsschritte zwischen Quelle und Last ist.
Ein Beispiel für eine PVC ist in der Abbildung unten dargestellt. Sie zeigt den Energiefluss von einem Kraftwerk zu einem vernetzten Gerät am Rande des Netzwerks. Sie charakterisiert den Stromverbrauch einer Komponente durch eine einheitenlose Zahl, um die Gesamtkosten der Energienutzung an jedem beliebigen Punkt innerhalb der PVC zu bewerten, was als Stromkostenfaktor (PCF) bekannt ist. In diesem Fall könnte es sich bei der Endbenutzerausrüstung um einen High-End-Fertigungsroboter oder ein Smartphone handeln, aber in jedem Fall kann der PCF (d.h. die Kosten für die Stromversorgung) der drahtlosen Verbindung das 1.000.000-fache betragen, wenn der Strom für diese Verbindung aus einem vorgelagerten Kraftwerk bezogen wird, während er bei lokaler Erzeugung nur das 1-fache betragen kann (d.h. Energy Harvesting oder Scavenging). Das ist ein enormer Unterschied, wenn für jedes Milliwatt an empfangenen Daten 20-60++ W von einem Kraftwerk erzeugt werden müssen, während vor Ort vielleicht nur ein paar Milliwatt benötigt werden.
Skaliert man dies mit 10.000 oder sogar 100.000 Messpunkten oder drahtlosen Sensornetzwerken (WSN) in einer einzigen Fabrik, kann man schnell erkennen, wie all diese winzigen Sensoren eine unverhältnismäßige und unerwartete Auswirkung auf die vorgelagerten Bestandteile einer PVC haben können.
Abb. 1: Diagramm von PVC für ein angeschlossenes System mit zugehöriger PCF-Metrik [1]
Dieses Konzept ist für große Stromversorgungssysteme wichtig, da es hilft, den Strombedarf am Ort des Verbrauchs im Zusammenhang mit der PVC, die den Strom bereitstellt, zu visualisieren, was tatsächlich dazu beitragen kann, die Auswirkungen auf CAPEX und OPEX zu internalisieren. In der vernetzten Welt von heute erleichtert diese Darstellung auch das Verständnis dafür, wie der Einsatz einer sehr großen Anzahl von drahtlosen Geräten (auch wenn sie relativ wenig Strom verbrauchen) einen unverhältnismäßig großen Einfluss auf den vorgelagerten Energiebedarf haben kann.
Das PVC-Konzept geht weit über Überlegungen zur Erhöhung der Leistung/Dichte hinaus und muss die gesamte architektonische Landschaft umfassen, in der neue Geräte eingesetzt werden. So kann es beispielsweise erforderlich sein, Zwischenspeicherlösungen zu entwickeln, um sicherzustellen, dass die Anforderungen einer hochzuverlässigen Anwendung stets erfüllt werden, während gleichzeitig der Bedarf an kostspieligeren (in CAPEX und OPEX) Overhead-Lösungen wie redundanten Backup-Systemen minimiert werden soll. Man soll auch beachten, dass dieses PVC-Konzept (und die damit verbundene PCF-Metrik) für die Analyse jeder beliebigen Kette von Quellen und Lasten verwendet werden kann, unabhängig davon, ob es sich um ein zelluläres Netzwerk oder ein vollständig geschlossenes System (oder sogar IC) handelt.
Ein Beispiel für eine PVC ist in der Abbildung unten dargestellt. Sie zeigt den Energiefluss von einem Kraftwerk zu einem vernetzten Gerät am Rande des Netzwerks. Sie charakterisiert den Stromverbrauch einer Komponente durch eine einheitenlose Zahl, um die Gesamtkosten der Energienutzung an jedem beliebigen Punkt innerhalb der PVC zu bewerten, was als Stromkostenfaktor (PCF) bekannt ist. In diesem Fall könnte es sich bei der Endbenutzerausrüstung um einen High-End-Fertigungsroboter oder ein Smartphone handeln, aber in jedem Fall kann der PCF (d.h. die Kosten für die Stromversorgung) der drahtlosen Verbindung das 1.000.000-fache betragen, wenn der Strom für diese Verbindung aus einem vorgelagerten Kraftwerk bezogen wird, während er bei lokaler Erzeugung nur das 1-fache betragen kann (d.h. Energy Harvesting oder Scavenging). Das ist ein enormer Unterschied, wenn für jedes Milliwatt an empfangenen Daten 20-60++ W von einem Kraftwerk erzeugt werden müssen, während vor Ort vielleicht nur ein paar Milliwatt benötigt werden.
Skaliert man dies mit 10.000 oder sogar 100.000 Messpunkten oder drahtlosen Sensornetzwerken (WSN) in einer einzigen Fabrik, kann man schnell erkennen, wie all diese winzigen Sensoren eine unverhältnismäßige und unerwartete Auswirkung auf die vorgelagerten Bestandteile einer PVC haben können.
Abb. 1: Diagramm von PVC für ein angeschlossenes System mit zugehöriger PCF-Metrik [1]
Dieses Konzept ist für große Stromversorgungssysteme wichtig, da es hilft, den Strombedarf am Ort des Verbrauchs im Zusammenhang mit der PVC, die den Strom bereitstellt, zu visualisieren, was tatsächlich dazu beitragen kann, die Auswirkungen auf CAPEX und OPEX zu internalisieren. In der vernetzten Welt von heute erleichtert diese Darstellung auch das Verständnis dafür, wie der Einsatz einer sehr großen Anzahl von drahtlosen Geräten (auch wenn sie relativ wenig Strom verbrauchen) einen unverhältnismäßig großen Einfluss auf den vorgelagerten Energiebedarf haben kann.
Das PVC-Konzept geht weit über Überlegungen zur Erhöhung der Leistung/Dichte hinaus und muss die gesamte architektonische Landschaft umfassen, in der neue Geräte eingesetzt werden. So kann es beispielsweise erforderlich sein, Zwischenspeicherlösungen zu entwickeln, um sicherzustellen, dass die Anforderungen einer hochzuverlässigen Anwendung stets erfüllt werden, während gleichzeitig der Bedarf an kostspieligeren (in CAPEX und OPEX) Overhead-Lösungen wie redundanten Backup-Systemen minimiert werden soll. Man soll auch beachten, dass dieses PVC-Konzept (und die damit verbundene PCF-Metrik) für die Analyse jeder beliebigen Kette von Quellen und Lasten verwendet werden kann, unabhängig davon, ob es sich um ein zelluläres Netzwerk oder ein vollständig geschlossenes System (oder sogar IC) handelt.
2. Spezielle Designanforderungen für Hochleistungsanwendungen
Stromversorgungskomponenten mit Wide Bandgap (WBG), z.B. aus Galliumnitrid oder Siliziumkarbid (GaN bzw. SiC), haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, um die ständige Notwendigkeit zu erfüllen, die SWaP-Faktoren von Stromversorgungen zu verbessern, was in erster Linie zu einer Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten führt, wodurch größere Filterkomponenten kleiner werden.
Die verbesserte Effizienz hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Wärmeverluste verringert und somit die Lösungen für das Wärmemanagement reduziert (wenn nicht sogar in einigen Fällen vollständig eliminiert). Große Systeme können von den einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien im Vergleich zu ihren Si-Gegenstücken stark profitieren.
Die Vorteile von GaN liegen derzeit eher bei Anwendungen mit <800V (im Wettbewerb mit Si in Bezug auf Effizienz und Größe), während die Vorteile von SiC eher bei Anwendungen bis zu 3kV liegen (im Wettbewerb mit IGBTs in Bezug auf Thermik und Größe).
SiC hat eine dreimal bessere Wärmeleitfähigkeit als Si und kann daher entweder mit einer geringeren Wärmespanne arbeiten, in einer gängigen Anwendung zuverlässiger sein oder länger in einer viel raueren Umgebung arbeiten.
Die verbesserte Effizienz hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Wärmeverluste verringert und somit die Lösungen für das Wärmemanagement reduziert (wenn nicht sogar in einigen Fällen vollständig eliminiert). Große Systeme können von den einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien im Vergleich zu ihren Si-Gegenstücken stark profitieren.
Die Vorteile von GaN liegen derzeit eher bei Anwendungen mit <800V (im Wettbewerb mit Si in Bezug auf Effizienz und Größe), während die Vorteile von SiC eher bei Anwendungen bis zu 3kV liegen (im Wettbewerb mit IGBTs in Bezug auf Thermik und Größe).
SiC hat eine dreimal bessere Wärmeleitfähigkeit als Si und kann daher entweder mit einer geringeren Wärmespanne arbeiten, in einer gängigen Anwendung zuverlässiger sein oder länger in einer viel raueren Umgebung arbeiten.
Abb. 2: Radardiagramm Benchmarking der Leistungszahlen für WBG-Materialien im Vergleich zu Si [2]
Während alle Vorzüge von WBG-Bauelementen großartig klingen, bringen ihre extrem schnellen Übergänge eine Reihe von Herausforderungen für das Design mit sich. Das sehr hohe dI/dt, dass aus Nanosekunden-Gate-Übergängen resultiert, muss aus einer Reihe von Gründen sorgfältig kontrolliert werden. Dazu gehört die Erzeugung übermäßiger Spannungen durch parasitäre Induktivitäten, die eine elektrische Überlastung (EOS) und einen schweren Ausfall der Stromversorgung verursachen können, oder die Einführung von zu viel Energie, um die Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen einzuhalten. WBG-Bauteile haben in der Regel auch niedrigere Gate-Schwellenspannungen als ihre Si-Gegenstücke und sind daher anfälliger für falsches Einschalten aufgrund von Rauschen auf dem Gate-Treiber oder einer durch die Gate-Drain-Kapazität (auch bekannt als Miller-Kapazität) des Schalters selbst induzierten Spitze.
Die wichtigste Botschaft hier ist, dass WBG-Komponenten NICHT als Ersatz für ihre Si-Kollegen dienen können. Es gibt spezielle Anforderungen an das Design, die weit über den Rahmen dieses Whitepapers hinausgehen, aber die Mühe und den Aufwand wert sein können, wenn SWaP-Faktoren ausschlaggebend sind.
Dennoch sollten die Lernkurve und die Designnuancen nicht unterschätzt werden. Deshalb bieten erfahrene Stromversorgungsanbieter in diesem Bereich sogar isolierte Gate-Treiber-Stromversorgungslösungen mit asymmetrischen Ausgangsspannungen an, die speziell auf WBG-Designs zugeschnitten sind, damit sich die Entwickler auf die Optimierung ihres Systems und nicht nur auf den Treiberstrang ihrer Stromversorgungen konzentrieren können.
Dennoch sollten die Lernkurve und die Designnuancen nicht unterschätzt werden. Deshalb bieten erfahrene Stromversorgungsanbieter in diesem Bereich sogar isolierte Gate-Treiber-Stromversorgungslösungen mit asymmetrischen Ausgangsspannungen an, die speziell auf WBG-Designs zugeschnitten sind, damit sich die Entwickler auf die Optimierung ihres Systems und nicht nur auf den Treiberstrang ihrer Stromversorgungen konzentrieren können.
Abb. 3: Diagramm von PVC für ein angeschlossenes System mit zugehöriger PCF-Metrik [1]
3. Spezielle Ressourcenanforderungen für Hochleistungsanwendungen
Abgesehen von den Designüberlegungen für Hochleistungssysteme kann die schiere Menge an Leistung und die Größe Ihres Systems ganz besondere Anforderungen stellen, um Ihre Gesamtlösung effektiv zu testen und zu qualifizieren, was möglicherweise eine ma߬geschneiderte Lösung erfordert.
Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit müssen das Vertrauen ...
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