das themen-magazin für entwickler€¦ · scheinbare low-tech-komponente bietet auch künftig...

1 elektronik journal 03 / 2020

www.all-electronics.de


Das Themen-Magazin für Entwickler

ENERGIESPEICHERAlles andere als Low-Tech:

Der Doppelschicht-Konden-

sator im Detail 12

POWER QUALITYWireless Charging: Komplett-

Lösungen für das kabellose

Laden in der Industrie 24

HALBLEITERSilizium oder Wide Bandgap?

Wann Si in Schaltnetzteilen

die bessere Wahl ist 36

Power nach Maß – auch für die Bahn 8

KUNDENSPEZIFISCHER WANDLER

April 2020

POWER

Anzeige

Editorial

EDITORIAL

Mehr als nur Super...

In Zeiten der Corona-Pandemie muss

jeder seinen Beitrag leisten, um zur

Bekämpfung beizutragen. Oft reicht es

schon aus, einfach nur zuhause zu bleiben.

Auch die Wirtschaft stellt sich um. Ford,

Tesla und GM etwa wollen freigewordene

Produktionskapazitäten nutzen, um Beat-

mungsgeräte und Atemmasken zu fertigen.

Allen voran arbeitet aber die Wissenschaft

und Forschung an einer Lösung der Pan-

demie – und die Elektronik ist auch dabei.

Das Folding@Home-Projekt simuliert ver-

schiedene medizinische Prozesse wie auch

das namensgebende Proteinfalten. Zuge-

geben, das klingt jetzt nicht sonderlich inte-

ressant; allerdings nutzt das Projekt zur

Simulation die PCs seiner Mitglieder, die

sich dazu eine spezielle Software runterla-

den müssen. Im Rahmen der Corona-Pan-

demie stieg die Zahl der Software-Down-

loads um mehrere Hunderttausend. Auf

Twitter gab Folding@Home jetzt bekannt,

dass es die Exaflop-Barriere durchbrochen

hat, was über 1.000.000.000.000.000.000

Operationen pro Sekunde entspricht. Damit

von Redakteur Martin Probst

[email protected]

Si oder Wide Band-gap? Wann Silizium in SMPS die bessere

Lösung istRutronik/Infineon

36

www.ctx.eu [email protected]

Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper

Riesige Profilauswahl, mit und ohne Clipbefestigung

Komplette CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung

Thermische Simulationen und individuelles Kühlkörperdesign

ist das Projekt zehnmal schneller als der

Supercomputer Summit von IBM .

Apropos Supercomputer: Auch Summit

kommt bei der Suche nach einer Lösung

für die Corona-Krise zum Einsatz und

kann auch schon Ergebnisse vorweisen:

77 mögliche Behandlungsmethoden. So

trägt eben jeder auf seine Weise einen klei-

nen oder auch großen Teil zur Lösung der

Krise bei.

Egal, ob Supercomputer, Personal Compu-

ter oder sonstige elektronische Anwen-

dung, die Stromversorgung und die Leis-

tungselektronik muss geregelt sein. Es

muss Power da sein! Wie man das umset-

zen kann, erfahren Sie hier in unserer

Power-Ausgabe!

Viel Spaß beim Lesen, und bleiben Sie

gesund!

4 elektronik journal 03/2020

April 2020


MÄRKTE + TECHNOLOGIEN

06 News und Meldungen

COVERSTORY

08 Power nach Maß

Kundenspezifische Wandler – auch für

Ansprüche im Bahnverkehr

STROM, ENERGIESPEICHER

12 Der Doppelschicht-Kondensator im

Detail

Scheinbare Low-Tech-Komponente

bietet auch künftig saubere und

nachhaltige Energie

16 Richtig abschirmen

Elektrische leitfähige Compound-

Materialien zur EMV-Abschirmung

auswählen und nutzen

19 Highlights

ST Microelectronics

POWER QUALITY QUALITY,TÄTSMANAGEM

20 DC/DC-Wandler

mit hoher Funktionalität

Neue Stromversorgung für mehr

Verfügbarkeit

23 Highlights

Morsun

24 Sichere kabellose Stromversorgung

Komplett-Lösungen laden Industrie-

anwendungen kabellos

BAUELEMENTE / MODULE

28 Design von Stromversorgungen

Parallelschaltung von DC/DC-Wandlern

lässt sich unterschiedlich umsetzen

32 Weltraumtaugliche GaN-Schaltkrei-

se im Low-Earth-Orbit

FETs, Controller und Treiber:

GaN zur Stromversorgung von

Kleinsatelliten im LEO

35 Highlights

Microchip, Toshiba

36 Si oder Wide-Bandgap?

Wann Silizium in Schaltnetzteilen die

bessere Wahl ist

40 So lässt sich eine effiziente Strom-

versorgung entwickeln

Besonders weiter Eingangsspannungs-

bereich

Titelseite gesponsert

von Emtron

12

Ergänzend zum gedruckten Heft finden Sie

alle Informationen sowie viele weitere Fach-

artikel, News und Produkte auf unserem On-

line-Portal. Dort erhalten Sie durch Eingabe

der infoDIREKT-Nummer teilweise auch aus-

führlichere Versionen der Beiträge.

Ganz neu:

Außerdem finden Sie auf all-electronics.de

jetzt (nicht nur) das elektronik journal als

echtes E-Paper zum Durchblättern und Lesen

auf dem PC oder auf dem iPad/Tablet.

www.all-electronics.as

April 2020

ELEKTROMECHANIK

44 Highlights

Harting, Harwing

45 Highlights

N&H, Nvent Schroff

MESS- UND PRÜFTECHNIK

46 Alpine Oberschwingungsmessung

EMV-Messungen müssen auch unter

rauen Bedingungen durchgeführt

werden

48 Alles eine Frage der Verbindung

Leistungshalbleiter zum Test richtig

kontaktieren

RUBRIKEN

03 Editorial

Mehr als nur Super...

50 Impressum

50 Verzeichnisse

Inserenten-/Personen-/Unternehmens-

verzeichnis

24 36

JAHRE

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Skandinavien, Großbritannien, Irland, Osteuropa, dem Nahen

Osten und Brasilien


Märkte + Technologien Meldungen


Strategie für Wide-Bandgap-HalbleiterIEEE-Roadmap für SiC und GaNDie IEEE hat eine strategische Roadmap für Wi-

de-Bandgap-Halbleiter (WBG) wie Siliziumkarbid

(SiC) und Galliumnitrid (GaN) vorgestellt. Zweck

des Dokuments ist es, F&E-Prozesse für WBG-

Halbleiter zu beschleunigen. Die Roadmap zeigt

die wichtigsten

Trends, Design-He-

rausforderungen

und potenziellen

Anwendungen und

gibt einen Ausblick

auf zukünftige Ein-

satzgebiete. Die

vier Arbeitsgruppen des Roadmap-Komitees be-

handeln dabei Substrate und Bauelemente, Mo-

dule und Gehäuse, GaN-Systeme und -Anwen-

dungen sowie SiC-Systeme und -Anwendungen.

Dabei legt die Roadmap kurzfristige, mittelfristi-

ge und langfristige Ziele fest. Neues Epitaxie-ToolsetX-FAB erweitert bei SiC die Produktions-Kapazität

DistributionPowell Electronics wird Partner von Harwin

DistributionsvereinbarungUnited SiC setzt auf Digi-KeyDer Halbleiterhersteller Uni-

ted SiC , der Siliziumkarbid-

Bauelemente anbietet,

hat eine Vertriebsverein-

barung mit Digi-Key un-

terzeichnet. Die Zu-

sammenarbeit er-

möglicht es dem

Unternehmen,

sein Siliziumkarbid-

Produktportfolio weltweit rund um die Uhr zu

verkaufen. „Durch die Partnerschaft wollen wir

die Wide-Bandgap-Technologie einem größe-

ren Kreis von Entwicklern zugänglich machen,

indem wir die Hebelwirkung von Digi-Key nut-

zen“, sagte Yalcin Bulut , Vice President für Sales

und Marketing bei United SiC. Die Leistungs-

halbleiter der Firma kommen zum Beispiel in

den Bereichen Elektrofahrzeuge, Batterie-Lade-

technik, IT-Infrastruktur und erneuerbare Ener-

gien zum Einsatz.

Direkt auf all-electronics.deelektronik journal als E-PaperDie aktuellen Ausgaben der Zeitschriften elekt-

ronik industrie, elektronik journal, AUTOMOBIL-

ELEKTRONIK und emobility tec können Sie jetzt

als echtes E-Paper auf Ihrem PC oder Tablet

durchblättern. So stehen Ihnen die aktuellen

Elektronik-Titel auch im Home Office zur Verfü-

gung, wenn gerade keine Print-Ausgabe zur

Hand ist. Der Zugang ist dabei kostenlos und

ganz ohne Anmeldeschranke. Einfach den But-

ton auf www.all-electronics.de anklicken, Heft

aussuchen und „durchblättern“.

Harwin will

seine

Präsenz im

Raum EMEA

ausbauen.

Bild

: Har

win

infoDIREKT 171ae0320

Starke NachfrageBeatmungsgeräte: BMZ-Gruppe stellt mehr Li-Ionen-Akkus her

Nachdem die Nach-

frage nach Li-Io-

nen-Akkus für Beat-

mungsgeräte ange-

stiegen ist, erhöht

die BMZ-Gruppe die

Produktion.

Bild

: BM

Z-Gr

uppe

Die BMZ-Gruppe stellt ihre Produktion um und

forciert die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus

für medizinische Anwendungen. Besonders hoch

ist derzeit die Nachfrage nach Batterien für Beat-

mungsgeräte. Hersteller von Beatmungsgeräten

haben angesichts der hohen Zahl an Corona-In-

fektionen um Solidarität und Unterstützung ge-

beten. Das Anfragevolumen bei der BMZ-Gruppe

sei dem Unternehmen zufolge teilweise um bis

zu 50 Prozent angestiegen. Laut Gründer und

CEO Sven Bauer sei das Unternehmen in der Lage,

auf einen hohen Lagerbestand zurückgreifen zu

können. Damit sei es möglich, die Produktion von

Lithium-Ionen-Batterien für den Medizinsektor

zu steigern. BMZ hat bereits ein Team zusam-

mengestellt, um die Produktionszahlen zu erhö-

hen. Der Batteriehersteller hatte sich frühzeitig in

verschiedene Produktsparten aufgeteilt, um vola-

tile Marktveränderungen abfangen zu können.

Das Unternehmen stellt Energiespeicher unter

anderem für Powertools, für die Elektromobilität

und für erneuerbare Energien her.


Nur eine Genehmigung fehlt nochInfineon darf Cypress übernehmen

Mit der Übernahme von Cypress will Infineon

seine Marktposition in den Bereichen IoT

und Automotive stärken.

Die US-Behörden haben dem Kauf von Cypress

durch Infineon zugestimmt: Das Committee on

Foreign Investment in the United States („CFIUS“)

genehmigte die Transaktion. Der Abschluss der

Übernahme unterliegt noch der Genehmigung

durch die Staatliche Verwaltung für Marktregu-

lierung Chinas und weiteren allgemein üblichen

Abschlussbedingungen. Mit dem Zukauf will Infi-

neon seine Präsenz auf den Märkten Automotive

und IoT ausbauen. Mikrocontroller, Software und

Connectivity-Lösungen von Cypress sollen das

Portfolio des Unternehmens an Leistungshalblei-

tern, Sensoren und Sicherheitslösungen ergän-

zen. Gerade bei Automotive-Halbleitern ist das

US-amerikanische Unternehmen mit MCUs und

NOR-Flash-Speichern, aber auch mit PSoCs aktiv.

Im Automotive-Bereich bietet Infineon unter an-

derem in der Leistungselektronik Cool-SiC-Lösun-

gen an. Die Übernahme ergänzt Infineons Port-

folio um Schaltkreise, die besonders für das auto-

nome Fahren notwendig sind.


Harwin hat Powell Electronics in sein Ver-

triebspartnernetz aufgenommen. Die Firma wird

die Hi-Rel-Steckverbinderprodukte vertreiben, zu

denen die Gecko-, Datamate- und M300-Serien

gehören. Auch bietet der Partner für Anwender

eine individuelle Kabelkonfektionierung an.

Powell Electronics aus New Jersey liefert mecha-

nische und elektromechanische Technologien für

die Märkte Verteidigung, Energie und Luft- und

Raumfahrt. „Dieser Vertriebsvertrag stellt eine

enorme Stärkung unserer Linecard dar und er-

gänzt unser bestehendes Angebot perfekt“, sag-

te Andy Brayford , European Applications Mana-

ger bei Powell Electronics. Sie wollten in neue

Anwendungsbereiche vordringen.

Bild

: X-F

AB

X-FAB Silicon Foundries treibt die Einführung

der Siliziumkarbid-Technologie (SiC) voran. Das

Unternehmen bietet Foundry-Dienstleistungen

für SiC-Epitaxie (SiC-Epitaxie auf SiC-Substrate)

an, die parallel zu den vorhandenen Silizium-

Prozessen in der gleichen Produktionslinie lau-

fen. Damit kann die Foundry SiC-Prozesse in der

Output-Größenordnung der Si-Produktionslinie

liefern. Durch ein neues Epitaxie-Toolset mit ei-

ner Option für Doppel-Epitaxie will X-FAB dabei

eine bessere Homogenität der Epitaxieschicht

erreichen und die Leistungsparameter der Bau-

elemente und die Gesamtausbeute erhöhen.

Die Fab in Lubbock in Texas produziert derzeit

26.000 Wafer pro Monat.


Am Standort

Lubbock (Texas,

USA) bietet

X-FAB nun eine

hauseigene SiC-

Epitaxie an.

Bild

: IEE

E

infoDIREKT 810ejl0320

United SiC

will mehr

Entwickler

erreichen.

infoDIREKT 452ei0420

Bild:

Unite

d SiC

Die IEEE-Roadmap zeigt

F&E-Ziele für SiC und GaN.

Hüthig GmbH Im Weiher 10 D-69121 Heidelberg Amtsgericht Mannheim HRB 70 30 44Ust.-ID: DE 143 262 410

Tel. +49 (0) 6221 489-363 Fax +49 (0) 6221 489-482 www.all-electronics.dewww.huethig.deGeschäftsführung: Fabian Müller

Offener Brief der Chefredakteure und des Anzeigenleiters von

AUTOMOBIL-ELEKTRONIK, elektronik industrie, elektronik journal, productronic

und all-electronics.de

Liebe Leser, Kunden und Partner,

in allen Unternehmen erfordert Corona ein Umdenken, fördert aber auch die Improvisationsfähigkeit und Kreativität der Mitarbeiter. So entstehen viele Ideen, die unkonventionell erscheinen, aber sicher dazu führen werden, dass wir alle anders aus der neuen Situation herauskommen als wir hineingegangen sind.

Auch wir als Fachverlag stehen vor der Herausforderung, unsere Prozesse zu betrachten, Kosten zu reduzieren, Arbeitsplätze dauerhaft zu sichern und vieles mehr. Gleichzeitig sehen wir uns in der Pflicht, unsere Leser weiterhin mit hochwertigen Fachinformationen zu versorgen. Deshalb haben wir ein Bündel an Maßnahmen geschnürt, über das wir Sie mit diesem Brief informieren möchten.

Die geplanten Hefte werden weiterhin erscheinen – mehr noch – nicht nur als Print-Ausgaben, sondern auch als E-Paper (Digital Editions). Sie finden diese E-Paper sowohl auf all-electronics.de als auch in der neuen all-electronics-App, die Sie im App Store (IOS) beziehungsweise im Play Store (Android) auf Ihr Tablet oder Smartphone herunterladen können. So bekommen alle Leser ihre gewohnten Fachinformationen: im Unternehmen, im Home-Office oder mobil. Eine aufmerksamkeitsstarke Marketingkampagne wird alle Leser unter dem Motto #stayathome über die vielfältigen neuen Möglichkeiten informieren.

Mit diesem Bündel an Maßnahmen können wir gewährleisten, dass Fachbeiträge, Unternehmensnews, Produktberichte, Anzeigen und Werbebotschaften weiterhin die Leser erreichen und abholen – egal wo sie sich gerade befinden.Parallel dazu werden wir Druckauflagen und Heftumfänge reduzieren, um Kosten zu sparen und so effektiv wie möglich für all unsere Partner arbeiten zu können.

Es gibt eine Zeit nach Corona; unser Anliegen ist Zusammenhalt und Kooperation in alle Richtungen: Intern, mit den Lesern, den Unternehmen und den Anzeigenkunden! Gemeinsam und solidarisch wird uns dies gelingen!

Sie haben Fragen oder Feedback? Wir freuen uns, von Ihnen zu hören!

Herzliche Grüße und bleiben Sie gesund!

Chefredakteure und Anzeigenleiter

Alfred Vollmer, Hans Jaschinski, Petra Gottwald, Peter Wintermayr und Frank Henning


Strom, Energiespeicher Coverstory


In den vergangenen Jahren konnten die Entwick-

ler von Autronic im Rahmen vieler verschiedener

Projekte feststellen, dass gerade kundenspezifi-

sche Entwicklungen die Möglichkeit eröffnen, eine

Lösung zu erhalten, die optimal mit den Komponen-

ten des Kunden zusammenpassen. Der Vorteil der

kunden spezifischen Entwicklungen liegt darin, dass

Kompromisse im Vergleich zu einem COTS-Wandler

(Components-off-the-shelf) komplett entfallen kön-

nen. Erstaunlicherweise gelingen individuelle

Lösungen zu Serienpreisen, die oftmals günstiger als

Standardlösungen sind. Dabei müssen Anwender

nicht auf wichtige Funktionen verzichten.

Frühzeitige Vorplanung unabdingbarZwar ist zu Beginn der Entwicklungsphase mit

höheren Investitionen durch die erhöhten Ent-

wicklungskosten zu rechnen, die sich aber schnell

amortisieren oder gar nicht so deutlich ins Gewicht

fallen, wenn entsprechende Projektstückzahlen

vorgesehen sind. Wichtig ist, dass der Hersteller

oder Distributor der Stromversorgung bereits in

einer sehr frühen Planungsphase eingebunden

werden kann. Nur so können alle Komponenten

aufeinandere abgestimmt werden und miteinan-

der harmonieren und der Kunden kann sich so auf

seine Kernkompetenzen konzentrieren.

Power nach MaßKundenspezifische Wandler – auch für Ansprüche im Bahnverkehr

In Zeiten erhöhten Kostendrucks und verstärkten Wettbewerbs der Marktteilnehmer

stehen Entwickler vor großen Herausforderungen: Die vom Kunden geforderten, viel-

fältigen Anforderungen müssen Unternehmen dann zu Zielpreisen realisieren, die

oftmals entgegen den Vorgaben des Projektmanagements beziehungsweise des Ein -

kaufs stehen. Wie entkommen Entwickler dieser Diskrepanz und wie lässt sich hier ein

guter Kompromiss finden? Autor: Giovanni Rodio

elektronik journal 03/2020 9



Den Entwickler unterstützenEin interessantes Beispiel hierfür ist die Entwicklung

eines DC/DC-Wandlers für Datenlogger (Bild 1), der

als Black-Box in Zügen zum Einsatz kommt. In enger

Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber setzte Aut-

ron ic eine maßgeschneider te

Lösung um. Neben dem DC/DC-

Wandler wählten die Entwickler das

Design so, dass Autronic einen Teil

des Kundengehäuses umsetzen

konnte, was die f inale Montage

beim Kunden signifikant verein-

fachte. Die Kundennähe, profunde

Kenntnisse und gute Erreichbarkeit auch im After-

Sales bleiben weitere Vorteile von Individuallösun-

gen, um die Kundenbedürfnisse schnell zu verstehen

und umzusetzen.

Der europaweit agierende Projektpartner von Aut-

ronic setzte voraus, dass ein Wandler alle gängigen

Eingangsspannungen von 24 Vin

und 110 Vin

mit

einem Gerät abdeckt, um die Qualifizierungskosten

der eigenen Anwendung zu reduzieren. Eine Kom-

bination aus ultraweitem Eingang, einer langen

Netzausfallüberbrückungszeit und eines integrierten

RIA12-Filters, um Überspannungen von bis zu

380 VDC

unbeschadet zu überstehen, macht diesen

Wandler zu einer guten Lösung für die Anwendun-

gen in Zügen.

Autronic entwickelt speziell für auf die Anforderung der

Anwender angepasste Wandler-Lösungen. Gerade in

der Bahnelektronik wird nach individuellen Lösungen

verlangt: Die Abnahme-Menge ist begrenzt, und die

Anforderungen für die harschen Anwendungsfelder

sind hoch. Hierfür gibt es jetzt zwei spezielle Wandler-

lösungen, die wir in diesem Beitrag vorstellen.

Eck-DATEN

Um einen 20-jährigen Brauchbarkeitszeitraum zusa-

gen zu können, musste Autronic die thermische Belas-

tung des Wandlers erheblich senken. Selbst bei einem

Wirkungsgrad von 91 % ergibt sich eine Wärmebelas-

tung von 6 bis 7 W, die somit eine Belastung und star-

ke Reduzierung der Lebenszeit dar-

stellen kann. Daher forderte der

Kunde ein Bauteile-Temperaturdelta

von maximal 15 – 20 K zur Umge-

bungstemperatur im eingebauten

Zustand, so dass in der Praxis kein

weiteres Halbleiterbauteil über

100/110 °C heiß werden darf – bei

85 °C direkter Umgebungstemperatur. Solche Anforde-

rungen sind mit einem COTS-Bauteil nicht zu erfüllen.

Um den brandschutztechnischen Anforderungen

gerecht zu werden, wählte Autronic im Entwicklungs-

prozess Materialien, die nach den europäischen

COTS-Bauteile

können die Anfor-

derungen der

Bahnindustrie

nicht erfüllen.

Bild

: © O

livie

r Rat

eau




(EN 45545- 2) und französischen Normen (NF-F)

klassifiziert sind. Im Gesamtpaket ist bei der Bahn-

anwendung jetzt ein Wandler im Einsatz, der den

Ansprüchen des Bahnverkehrs entspricht. Aus preis-

politischer Sicht handelt es sich um eine Individual-

lösung zu Serienpreisen.

In rauen Umgebungen einsetzbarAuch anpassbare Standardwandler von Autronic fin-

den aufgrund ihrer Spezifikation in Anwendungen

mit rauen Umgebungsbedingungen wie etwa Zügen

Verwendung. Ein gutes Beispiel ist der DC/DC-Wand-

ler für Compact PCI-Serial: Den 19“-Wandler

HEC120-5W (Bild 2) entwickelte Autronic nach der

aktuellen EN-50155-Richtline. Er ist mit einem ult-

raweiten Eingangsspannungsbereich (14,4 bis

154 VDCin

) erhältlich und die bahnspezifischen Krite-

rien für Surge, Burst und ESD hält er ohne zusätzliche

Komponenten ein. Mit seinen Features wie Einschalt-

strombegrenzung, aktiver Verpolschutz, Parallel- und

Redundanzschaltbarkeit mit integrierten O-Ring-

Kontrollern, Netzausfallüberbrückung (10 ms), Über-

spannungs- und Übertemperaturschutz und erhöhter

Isolationsfestigkeit eignet sich der Wandler für cPCI-

Serial-Anwendungen in rauen Umgebungen. Die LED

auf der Frontplatte dient zur Statusüberwachung. Der

120 W Wandler hat einen Quad-Ausgang

(3,3 V/5 V/+12 V/-12 V) inklusive einer 5-V-Hilfsspan-

nung. Um gerade der Anforderung nach Compact-

PCI-Serial gerecht zu werden, steht die volle Leistung

auch über den 12-V-Ausgang zur Verfügung, alter-

nativ 100 W über den 5-V-Ausgang.

Der Plug-and-Play-Wandler lässt sich nach den

Anforderungen des Entwicklers programmieren.

Gerade empfindliche Board-PCs mit unterschiedli-

chen oder mit der Zeit upgedateten Prozessoren sind

auf Flexibilität angewiesen. Neben der Schwelle der

Abschaltung bei Unterspannung kann der Anwender

auch programmieren, dass bei Temperaturen in einem

kritischen Bereich die Warninformation (DEG) aus-

gegeben wird und schlussendlich dann auch die

Abschaltung in diesem kritischen Zustand erfolgt.

Die Inhinit/Enable-Logik sowie das FAL(PowerGood)-

Signal des Ausgangs sind anpassbar, wie auch die

Schwellen bei Über- oder Unterspannung der einzel-

nen Ausgänge. Diese Features sind je nach Bedarf des

Anwenders programmiert, damit der Wandler opti-

miert und direkt die Inbetriebnahme der Anwendung

gewährleistet. Da die Programmierung direkt vom

Werk aus erfolgt, erhält der Anwender auch weiterhin

eine Plug-and-Play-Lösung.

FazitFür die Entwickler elektronischer Baugruppen ist es

sehr vorteilhaft sich bereits im Anfangsstadium der

Produktkonzeption mit dem Thema Stromversorgung

zu befassen. Somit lässt sich schnell erkennen, ob ein

COTS-Produkt, eine modifizierte Version oder sogar

eine komplette Neuentwicklung zum Ziel führt. Wer

frühzeitig Fachleute mit in den Entwicklungsprozess

einbezieht, kann fokussierter die Umsetzung der eige-

nen Anwendung angehen. (prm) ■

Autor Giovanni Rodio

Produktmanager der Fortec Power Gruppe


Bild 1: Speziell für Anwen-

dungen im Bahnverkehr

entwickelte Autronic

einen DC/DC-Wandler für

Datenlogger, der den

Anforderungen und

Standards der Branche

entspricht.

Bild 2: Der Wandler

HEC120-5W erfüllt die

aktuelle Richtline EN-50155

und lässt sich zudem indivi-

duell programmieren.

Bild

er: E

mtro

n/Au

troni

c

Power

Das offene Innovationszentrum Ennomo-

tive hat einen gemeinnützigen Online-

Wettbewerb zur Entwicklung kostengüns-

tiger Beatmungsgeräte gestartet. Mit der

Ausrufung des Wettbewerbs zum Entwurf

kostengünstiger, einfach herzustellender

Beatmungsgeräte will Ennomotive dabei

helfen, die Herausforderungen des Covid-

19-Ausbruchs zu bewältigen. Das spani-

sche Innovationszentrum schließt sich

damit anderen internationalen Initiativen

zur Entwicklung von Beatmungsgeräten

an und stellt seine weltweite Gemein-

schaft von 20.000 Ingenieuren zur Verfü-

gung, um dieser Herausforderung zu

begegnen. Ennomotive konzentriert sich infoDIREKT 802ae0320

AUS AKTUELLEM ANLASS ZUR BEKÄMPFUNG DES CORONA-VIRUS

Power für die Medizin: Wettbewerb zur Entwicklung von Beatmungsgeräten

dabei auf Lösungen, die weit verbreitete

industr iel le Standardkomponenten

anpassen oder wiederverwenden können

oder andere leicht zugängliche und uni-

verselle Elemente des täglichen Lebens

verwenden. Diese Online-Herausforde-

rung steht weltweit jedem Ingenieur,

Unternehmen, Technologiezentrum, Her-

steller oder Wissenschaftler aus verschie-

denen Branchen und mit unterschiedli-

chem technischen Hintergrund offen, der

eine Lösung für diese Herausforderung

vorschlagen möchte.

Die Lösungen, die sich aus dieser

Herausforderung ergeben, werden der

Öffentlichkeit zugänglich sein und Enno-

Das Innovationszentrum Ennomotive hat einen-

Wettbewerb zur Entwicklung günstiger und ein-

fach herstellbarer Beatmungsgeräte gestartet.

motive wird in der nächsten Runde die

Entwicklung der besten Prototypen finan-

zieren. (na) ■

Bild

: Enn

omot

ive

12 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de

Strom, Energiespeicher Kondensatoren

Dem Doppelschichtkondensator haftet der Ruf einer Low-

Tech-Komponente an. Erst seit kurzer Zeit rückt diese

Technik wieder in den Fokus, denn sie besitzt Eigen-

schaften, welche als vorteilhaft gegenüber anderen Energiespei-

chern zu sehen sind. Die Technologie des Doppelschichtkonden-

sators basiert auf der Ladungsspeicherung in der namensgeben-

den Doppelschicht. Der Grundstein hierzu hat Hermann von

Helmholtz schon 1853 gelegt, aber erst über ein Jahrhundert spä-

ter gelang es, die ersten Doppelschichtkondensatoren massen-

tauglich zu produzieren und zu vermarkten. Heute sind sie unter

verschiedenen Namen bekannt (zum Beispiel Superkondensa-

toren oder Ultrakondensatoren), doch ihre physikalische Basis

ist immer die gleiche.

Der Aufbau eines EDLC (Electric Double-Layer Capacitor) ist

simpel, aber effektiv. Zwei Elektroden bilden die Basis der Kon-

struktion. Das Elektrodenmaterial (meist Aktivkohle, Graphen-

strukturen oder Kohlenstoffnanomaterialien) ist auf einen elek-

trisch kontaktierbaren Kollektor aufgebracht und bildet beide

Elektroden der Kondensatoren. Eine Membran, auch Separator

genannt, trennt jene voneinander und schützt sie dadurch vor

Kurzschlüssen. Der Separator ist durchlässig für die Ionen des

meist flüssigen Elektrolyten. Der Elektrolyt fungiert als Ionen-

lieferant, welche die Träger des elektrischen Stroms im EDLC

(Bild 1) darstellen.

Sobald eine Spannung angelegt ist, wandern die positiv und

negativ geladenen Ionen jeweils spiegelbildlich zu den Elektroden.

Dort sammeln sie sich an den Phasengrenzen zwischen der festen

Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten und bilden eine Dop-

pelschicht. Es stehen sich also Ionen aus dem Elektrolyten und

die Ionen der Elektrode gegenüber, auch Gegenionen genannt.

Das wirkende elektrische Feld polarisiert dann die Lösungsmit-

telmoleküle, die die Ladungen voneinander trennen. Die Dop-

pelschicht fungiert wie ein Plattenkondensator; in der Gesamtheit

wirken daher zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (Bild 2).

Doppelschicht-Kondensator im DetailScheinbare Low-Tech-Komponente bietet auch künftig nachhaltige Energie

Nachhaltigkeit, saubere Energie und Energieeinsparung sind Zielsetzungen, die mit dem wachsenden Umweltbe-

wusstsein unserer Gesellschaft an Bedeutung gewonnen haben. Der richtige Energiespeicher spielt hierbei eine

zunehmend wichtigere Rolle für viele Entwicklungen insbesondere bei der Speicherung überschüssiger Energien.

Doch wie können Energiespeicher diese vielseitigen Herausforderungen erfüllen und wie ist es um ihre eigene

Nachhaltigkeit bestellt? Autor: Alexander Schedlock

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Die Elektrode macht den UnterschiedEine Voraussetzung zur Bildung einer Doppelschicht ist ein geeig-

netes Elektrodenmaterial. Vor etwa 60 Jahren führten Wissen-

schaftler die ersten Untersuchungen zu neueren Speichermetho-

den und Materialien durch, und schon zu Beginn kam Aktivkoh-

le als Elektrodenmaterial zum Einsatz. Im zeitlichen Verlauf

untersuchten die Forscher weitere Materialien auf ihre Eignung

für den Einsatz in Doppelschichtkondensatoren und entwickel-

ten diese auch weiter. Das heute gebräuchlichste Elektrodenma-

terial ist Aktivkohle, die als eher mäßig elektrisch leitfähiges

Material jedoch eine hohe Porosität aufweist, die zu einer großen

Oberfläche relativ zum Volumen führt (Bild 3).

Abbildung 3 zeigt die schwammartige Struktur der Aktivkoh-

le in 80.000-facher Vergrößerung. Mit einer Dichte von bis zu

0,5g/cm³ und einer theoretischen Oberfläche zwischen 1000m²/g

und 2000m²/g lässt sich eine große Oberfläche in einem geringen

Volumen erreichen. Zusammen mit ihren relativ günstigen Her-

stellungskosten ist Aktivkohle daher weiterhin das gebräuch-

lichste Material für Doppelschichtkondensatoren. Die größte

Stärke des Materials ist zugleich ihre größte Schwäche: die Poren

der Aktivkohle liegen in unterschiedlichen Größen vor und

begrenzen abhängig von ihrer Größe die zur Verfügung stehen-

de Fläche zur Ausbildung einer Doppelschicht. Die an der Bildung

der Doppelschicht beteiligten Ionen sind solvatiert, das heißt

umhüllt von Lösungsmittelmolekülen aus dem Elektrolyten. Mit

dieser Hülle können sie nur langsam in kleinere Poren eindrin-

gen, die Folge ist ein erhöhter ESR. Gleichzeitig reduzieren die

Mikroporen die für die Doppelschicht zur Verfügung stehende

Oberfläche, was wiederum zu einer reduzierten Kapazität führt

(Bild 4).

Die Kohlenstoffstrukturen sind entlang der Kristallstrukturen

der wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatome elektrisch

leitfähig, während die Leitfähigkeit zwischen den Gitterstruk-

turen relativ schlecht ist. Durch die ungeordnete makroskopische

Struktur der Aktivkohle ist auch ihre Leitfähigkeit begrenzt, was

sich in einem ebenfalls erhöhten ESR wiederspiegelt.

Elektrisch hoch leitfähige Polymere können hier Abhilfe leis-

ten. Diese lassen sich als Binder in die Aktivkohle einbringen

Als technischer Exot fristete

der Doppelschichtkondensator

lange Zeit ein Nischendasein

als Low-Tech Bauelement. Im

letzten Jahrzehnt sorgten zahl-

reiche Verbesserungen bei den

Materialien und der Prozess-

führung dafür, dass die Tech-

nologie sich weiterentwickelte

und größere Verbreitung in

verschiedenen Anwendungen

fand. Technologisch stößt der

Doppelschichtkondensator

mittlerweile jedoch an die

physikalischen Grenzen. Des-

halb werden auch Weiterent-

wicklungen wie der Lithium-

Ionen Kondensator immer

wichtiger. Denn als neuer

Zweig der Superkondensator-

Familie, weisen Hybridkonden-

satoren ein großes Potential

auf.

Eck-DATEN

und erhöhen ihre Leitfähigkeit durch Elektronenleitungen. Hier

liegt auch ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung: über ver-

besserte Polymere als Binder soll nicht nur die Stabilität gewähr-

leistet sein, sondern sich auch die Leitfähigkeit weiter steigern

lassen. Eine geeignete Prozessführung bei der Herstellung der

Aktivkohleelektroden ermöglicht es, gezielt bestimmte Poren-

größen zu erzeugen. Dies führt zu einer guten Ausnutzung der

Oberfläche in der Aktivkohle.

Bild

er: J

iang

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Bild 1: Schema-

tische Darstel-

lung eines un-

geladen EDLC.

Bild 2: Schema-

tische Darstel-

lung eines ge-

ladenen EDLC.

Das heute gebräuchlichste

Elektroden-material ist Aktivkohle.

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Ein weiterer Faktor, den der Hersteller kontrollieren muss, ist

die Schichtdicke der Aktivkohle: Während eine zu dicke Aktiv-

kohleschicht zu einer Abnahme der Leistungsdichte führt, sorgt

eine zu dünne Schicht zur Abnahme der Energiedichte.

Langes Leben und ZyklenfestigkeitWenn die Rede von Doppelschichtkondensatoren ist, dann den-

ken viele oft an eine hohe Anzahl der Lade- und Entladezyklen

sowie eine lange Betriebszeit. Grundsätzlich hat der EDLC auch

die Voraussetzung dazu, denn bei der Bildung der Doppelschicht

gibt es keine chemischen Verbindungen, anders als es zum Bei-

spiel in einer Lithium-Ionen Batterie der Fall ist. Im EDLC findet

lediglich eine Adsorption von Ionen statt, welche auf der Ober-

fläche der Elektrode haften. Trotz dieses theoretisch unbegrenzt

wiederholbaren Prozesses, gilt es einige Parameter bei dem

Betrieb von Doppelschichtkondensatoren zu beachten.

Die Spannung ist Freund und Feind zugleich: eine höhere

Spannung bewirkt zwar auch eine höhere Ladung und Kapazität,

resultiert aber in hohen elektrischen Feldstärken innerhalb des

Bauteils. Ab einer gewissen Spannung zersetzt sich der Elektro-

lyt beim Laden teilweise. Die zersetzen Bestandteile lagern sich

in den Poren der Bauteile an und verstopfen diese regelrecht. Die

wirksame Oberfläche reduziert sich, wodurch die Kapazität sinkt.

Der Zersetzungsprozess führt zu einer endlichen Lebensdauer,

die durch die Anzahl der möglichen Lade- und Entladezyklen

definiert ist. Elektrolyte mit einer höheren Zersetzungsspannung

können die Zyklenzahl erhöhen, führen aber zu einer geringeren

Kapazität und höheren ESRs.

Von entscheidender Bedeutung ist auch die Umgebungstem-

peratur während des Betriebes, denn höhere Temperaturen

beschleunigen nicht nur die Zersetzungsprozesse sondern auch

den Verlust von Elektrolyt durch Austrocknung, was auch die

Lebensdauer des Kondensators begrenzt.

Grundsätzlich spielt der eingesetzte Elektrolyt eine entschei-

dende Rolle für die Zyklenfestigkeit, die Kapazität, den ESR und

letztlich für die mögliche Lebensdauer des Kondensators. Der

Elektrolyt muss chemisch inert sein, darf also nicht mit dem

Elektrodenmaterial reagieren. Er sollte eine hohe Zersetzungs-

spannung besitzen und ein guter Ionenlieferant für die Doppel-

schicht sein. Die Wahl des passenden Elektrolyten ist somit eben-

so wichtig wie die Auswahl des Elektrodenmaterials. Eine kor-

rekte Verwendung und das Einhalten der vom Hersteller festge-

legten Grenzen für die Betriebsparameter sind unerlässlich für

eine lange Lebensdauer der Kondensatoren.

LiC versus SuperkondensatorDer Doppelschichtkondensator blickt auf eine lange Vergangen-

heit in der Forschung und Entwicklung zurück, während die

kommerzielle Serienfertigung erst seit wenigen Jahrzehnten

existiert. Erst im letzten Jahrzehnt wurde das hohe Potenzial der

Technologie erkannt und hat die weitere Entwicklung von Super-

kondensatoren in Fahrt gebracht.

Auf den ersten Blick lassen die aus ihm entstandenen Lithium-

Ionen Kondensatoren den Doppelschichtkondensator überflüs-

sig erscheinen. Jedoch verfolgen die Entwicklungen beider Tech-

nologien unterschiedliche

Zielsetzungen: während die

Entwicklung der Lithium-

Ionen Kondensator den Fokus

auf hohe Energiedichten legt,

zielt die der EDLC auf große

Leistungsdichten. Dadurch

unterscheiden sich auch die

Zielapplikationen der beiden

Technologien, so dass sie nicht in einem unmittelbaren Wettbe-

werb stehen, sondern sich komplementär ergänzen.

Die EDLC-Technologie besticht durch ihre besonders hohe

Leistungsdichte. Der hohe Anteil an Doppelschichtkapazität

ermöglicht es, den Kondensator sehr schnell auf- und wieder zu

entladen. Hierbei ist er dem Elektronentransfer des Lithium-Ionen

Kondensators überlegen. In der Konsequenz kann ein EDLC

höhere Ströme aufnehmen und wieder abgeben. In der Tabelle

sieht man die spezifischen Parameter des EDLC im Vergleich

zum Lithium-Ionen Kondensator (LiC) und der Lithium-Ionen

Batterie (LiB) (Tabelle 1).

Deutlich höher ist die Laderate der EDLCs im Vergleich zu den

anderen Technologien. Mit dieser Eigenschaft eignet sich ein

EDLC zur Aufnahme großer Ladeströme, zum Beispiel von Brems-

strömen. Er kommt daher häufig zum Einsatz, um die Rekupe-

EDLCs zielen auf große Leistungs- dichten ab.

Bild 3: Porenstruktur von Aktivkohle.

Bild 4: Unter-

schiedliche Po-

rengrößen des

Kondensators.



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Autor Alexander Schedlock

Technical Sales Manager bei Jianghai


ration von Energie bei Elektrofahrzeugen zu realisieren. Dies

schont zudem die Lebensdauer der Batterien und führt gleich-

zeitig zu einer Energieersparnis. In Windkraftanlagen sorgen

EDLC für die Speisung des Notfall-Neigungssteuerungssystem,

das bei einem Netzausfall oder überhöhten Windgeschwindig-

keiten die Anlage sicher abschaltet. Dies schützt die Turbine vor

mechanischer Beschädigung. Zuvor kamen hier viele Jahre lang

Bleibatterien zum Einsatz, welche eine geringere Lebensdauer

als EDLC besitzen und dadurch den Wartungsaufwand erhöhten.

Doppelschichtkondensatoren helfen durch ihre Langlebigkeit

und hohe Zyklenfestigkeit, den Wartungsaufwand zu minimie-

ren und somit die Betriebskosten zu reduzieren.

Auch wenn der Doppelschichtkondensator derzeit schon in vie-

len Applikationen Einzug gehalten hat, ist er nicht immer die opti-

male Wahl. Ein Beispiel dafür ist eine mobile EDLC-Applikation,

die On Board Units des Toll Collect Systems. Hier stellen EDLC die

Energie für den kurzen, aber intensiven Sendeimpuls bereit. Nach-

teilig für dieses Einsatzgebiet ist der große Leckstrom der Doppel-

schichtkondensatoren, denn oft ist dieser größer, als der Ladestrom.

Einen deutlich geringeren Leckstrom weisen jedoch die Lithium-C

Kondensatoren auf. In Kombination mit Batterien oder einem Pho-

tovoltaikpanel lässt sich der Kondensator Laden ohne die Ladung

wieder zu verlieren. Dieselbe Thematik spiegelt sich im Bereich

Energy-Harvesting wieder, weshalb Lithium-Ionen auch hier die

überlegenere Technologie gegenüber EDLC ist. (aok) ■

Tabelle 1: EDLC im Vergleich zum

Lithium-Ionen Kondensator (LiC)

und der Lithium-Ionen Batterie

(LiB).


Strom, Energiespeicher EMV-Abschirmung

Richtig abschirmenElektrische leitfähige Compound-Materialien zur EMV-Abschirmung auswählen und nutzen

Es gibt zahlreiche Verfahren, um die durchgängige elektrische Leitfähigkeit von Gehäusen

und die daraus resultierende EMV-Leistung mithilfe einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen

Dichtungen und mechanischen Befestigungsmitteln zu verbessern. Diese haben den

Vorteil, dass sie sich sauber und einfach verwenden lassen sowie die Demontage und

den Austausch der Komponenten ermöglichen. Stellen Sie sich also die Frage: Ist ein

Compound-Material die richtige Lösung für die entsprechende Anwendung? Autor: Gerard Young

Vorausgesetzt, dass die Verwendung von

Dichtungen und mechanischen Befesti-

gungsmitteln für den geplanten Entwurf

ungeeignet oder nicht möglich ist, besteht der

nächste Schritt des Entwicklers darin, das passende

elektrisch leitfähigen Compound-Material für die

Anwendung zu finden.

Zu diesem Zeitpunkt ist es erforderlich, die Funk-

tionen des Compounds der Wichtigkeit nach zu ord-

nen. In diesem Fall hat die Anwendung zwei Ober-

flächen, die lediglich eine geringe Menge leitfähigen

Schmierfetts erfordern. Ein anderes Beispiel wäre

etwa das strukturelle Verbinden von zwei Oberflä-

chen mit einem hochfesten leitfähigen Epoxidharz

wie dem CHO-BOND-584-29 von Parker Chomerics.

Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine Viel-

zahl von Optionen, die jeweils im Hinblick auf die

Leitfähigkeit, strukturelle Festigkeit, Fähigkeit zum

Ausfüllen von Spalten und andere Eigenschaften

wie die Topfzeit, Nachbearbeitungsfähigkeit und

Anwendungsfreundlichkeit variieren. Entwickler

sollten die nachfolgenden Eigenschaften in den Aus-

wahlprozess des Compounds einbeziehen.

• Bindemittel oder Basisharzsystem-Silikon, Epoxid-

harz usw.

• Beliebiger Füllmaterialtyp von Silber bis Kohlenstoff

• 1-Komponenten- oder 2-Komponenten-Com-

pounds

• Typ des Compounds (Klebstoff, Fugendichtmasse,

Abdichtung)

• Konsistenz (zähe Pasten bis nahezu flüssig)

• Zugscherfestigkeit

• Durchgangswiderstand bei Gleichstrom

• Verwendungstemperaturbereich

• Härtungstemperatur und -dauer

• Verarbeitungszeit

• Haltbarkeit

• Deckvermögen

• Empfohlene Dicke

• Wärmeausdehnungskoeffizient

• Elektrochemisches Potenzial

• Oberflächenvorbereitung

Bild

: Mak

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Ado

beSt

ock


Die obenstehende Liste deckt möglicherweise

nicht alle Eigenschaften des relevanten Materi-

als ab. In jeder Anwendung muss der Ingenieur

die Anforderungen an die Funktionalität des

Entwurfes neu beurteilen. Inwiefern erfüllen

die Materialeigenschaften die wichtigsten Para-

meter des Designs? Die nächsten Abschnitte

klären, warum einige der oben aufgeführten

Eigenschaften besonders wichtig sind.

Oberfläche vorbereitenNachdem der Entwickler das Compound-Mate-

rial sorgfältig ausgewählt hat, sollte er das Daten-

blatt und jegliche Informationen bezüglich der

Oberflächenvorbereitung lesen. Alle Lieferanten

geben diese Informationen entweder im Pro-

duktdatenblatt oder wie Parker Chomerics in

einem separaten Anwendungshinweis zur Ober-

flächenvorbereitung an. Wenn die Oberflächen

nicht ordnungsgemäß vorbereitet wurden, entsteht

eine schlechtere Verbindung oder eine Verbin-

dung, die nicht dauerhaft funktionsfähig ist. Zur

Vorbereitung können Anwender etwa einfach die

Oberflächen mit Isopropylalkohol abwischen oder

komplexere Verfahren einsetzen wie eine Koro-

naentladungsbehandlung, Anätzen, Sandstrahlen

oder die Verwendung von Grundierungen.

Richtiger Compoundtyp findenLeitfähige Compounds lassen sich in Klebstoffe,

Fugendichtmassen und Dichtmittel unterteilen.

In der Regel haben Klebstoffe feinere leitfähige

Partikel und daher maximale Verbindungsschicht-

dicken, während Fugendichtmassen und Dicht-

mittel größere Partikel enthalten und daher mini-

male Verbindungsschichtdicken aufweisen. Es ist

daher nicht ratsam, ein Dichtmittel als Klebstoff

mit einer dünneren Schichtdicke als spezifiziert

zu verwenden, da dies zu unvorhersehbaren

Resultaten führen kann, wie dem Brechen der

leitfähigen Partikel, einer Beschädigung der Kon-

taktflächen oder mangelhafter Haftfestigkeit.

Aushärtezeit berücksichtigenEin anderer wichtiger Aspekt, den Entwickler bei

der Wahl des Materials berücksichten müssen, ist

der Aushärtevorgang. Leitfähige Epoxidharze bie-

ten die Möglichkeit der Aushärtung bei hohen

Temperaturen. Dies ist jedoch abhängig von den

zu fügenden Materialien, da diese oft für hohe

Temperaturen nicht geeignet sind, wenn sie nicht

aus Metall bestehen. Bestimmte Zwei-Kompo-

nenten-Silikone bieten diese Möglichkeit eben-

falls, die am häufigsten verwendeten Ein-Kom-

ponenten-RTV-Silikone (RTV; room-temperature-

vulcanizing) jedoch nicht. Bei einer Aushärtung

bei Raumtemperatur benötigen Silikone in der

Regel 24 Stunden, bevor sie sich wieder nutzen

lassen, und 7 Tage bis zur vollständigen Aushär-

tung. Die Aushärtungsdauer hängt auch von einer

adäquaten Feuchtigkeit auf den Oberflächen und

in der Luft ab. Bei geringer Feuchtigkeit oder dicke-

ren Verbindungsschichten müssen die Aushär-

tungszeiten möglicherweise verlängert werden.

Elektrochemisches PotenzialDieser Faktor ist insbesondere wichtig, wenn die

Verbindungen rauen Umweltbedingungen ausge-

setzt sind oder in der Schifffahrt zum Einsatz kom-

men. In solchen Umgebungen sollte die Verbindung

elektrochemisch so eng wie möglich auf das Sub-

strat abgestimmt werden (innerhalb von 0,25 V),

und bei Bedarf sollte als Schutz eine zweite, nicht

leitfähige Fugendichtmasse beziehungsweise ein

zweites nicht leitfähiges Dichtmittel aufgetragen

werden, um das leitfähige Material zu schützen.

Informationen bezüglich des elektrochemischen

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Die EMV-Abschirmung gehört zu den wich-

tigsten Faktoren bei der Entwicklung einer

Applikation. Um die Anwendung richtig ab-

zuschirmen, gibt es verschiedene Möglich-

keiten. Auch Compound-Material lassen sich

mittlerweile gut dafür verwenden, aller-

dings muss auch hier das Material anwen-

dungsspezifisch ausgewählt werden. Ent-

wickler müssen bei der Wahl verschiedene

Faktoren wie Aushärtzeit, oder Oberflä-

chenbearbeitung beachten.

Eck-DATEN

Bild 1: Querschnitt von Fenster und Blende

zur Darstellung der Dichtungs- und Montage-

anordnung.

Bild

: Par

ker C

hom

erics


Strom, Energiespeicher EMV-Ab-


Potenzials der verschiedenen Füllmaterialien sind in der

Regel vom Lieferanten in Form einer Tabelle (Tabelle 1)

erhältlich. Auch die Angabe des elektrochemischen

Potenzials in Millivolt ist möglich (Tabelle 2).

VerarbeitungszeitDie Verarbeitungszeit von einigen Ein-Komponenten-

RTV-Compounds kann, insbesondere unter Bedingun-

gen mit mittlerer bis hoher Feuchtigkeit, teilweise nur

15 min betragen. Zwei-Komponenten-Compounds

benötigen tendenziell eine längere Verarbeitungszeit:

von einer halben Stunde bis zu mehreren Stunden. Sie

erfordern jedoch ein gründliches Durchmischen.

Empfohlene DickeDie Einhaltung der empfohlenen Dicken für einen Com-

pound stellt in der Regel eine gute Haftfestigkeit und

Durchgangswiderstandmesswerte sicher, die innerhalb

der Herstellerspezifikationen liegen. Während Com-

pounds in bestimmten Fällen außerhalb der empfohle-

nen Dicken verwendbar sind, führt dies in der Regel

dazu, dass eine oder mehrere der typischen Eigenschaf-

ten der Verbindung nicht wie erwartet ausfallen. So kann

zum Beispiel die Verwendung eines Klebstoffs mit einer

zu dicken Schicht zu einem höheren Widerstand und

einer geringeren Haftfestigkeit als erwartet führen.

FallstudieMuss beispielsweise eine geschirmte Scheibe aus einem

gegossenen Monomer in einen Metallrahmen geklebt

werden, der typischerweise Temperaturen von -40 °C

bis + 50 °C ausgesetzt ist, kommen verschieden Mate-

rialien in Frage und der Anwender muss diese entspre-

chend der Anforderungen auswählen.

Der Metallrahmen besteht aus Alu-Druckguss. Der

Gussrahmen verfügt über eine Flachheit von ±0,2 mm

und die Scheibe ist auf eine Flachheit von ±0,1 mm bear-

beitet. Das bedeutet, dass an bestimmten Stellen ein

Spalt von rund 0,6 mm und an anderen Stellen kein Spalt

vorhanden sein kann. Das bedeutet, dass leitfähige

Epoxidharze wahrscheinlich ungeeignet sind, da die

empfohlene Dicke für Produkte rund 0,025 mm beträgt,

während die leitfähigen Silikone wie CHO-BOND-1038

eine empfohlene Mindestdicke von 0,2 mm aufweisen.

Die Ausdehnungskoeffizienten der gegossenen Schei-

be und des Aluminiums unterscheiden sich: der Aus-

dehnungskoeffizient des Aluminiums beträgt rund 24 ×

10-6 mm/mm/°C, derjenige der Kunstharzscheibe rund

das Vierfache. Das bedeutet, dass die Länge einer bei

23 °C montierten und dann auf -40 °C abgekühlten

50 mm dicken Scheibe sich um 0,3 mm verändert, wäh-

rend die des Metalls sich lediglich um rund 0,077 mm

verändert. Diese Differenz muss insbesondere bei star-

ren Epoxidharzen oderdünnen Verbindungsschichten

berücksichtigt werden, da die Verbindungflexibel genug

sein muss, um die Variation des Spalts auszugleichen.

Ein weiterer Aspekt, den es zu beachten gilt, ist das

elektrochemische Potenzial der Kontaktflächen. Dieses

beträgt bei Silber rund 0 V und bei Aluminium rund

-0,7 V. Das bedeutet, dass die Verbindung, wenn sie

nicht geschützt ist, mit der Zeit korrodiert, insbesonde-

re bei aggressiven Umwelteinflüssen. Um dem entge-

genzuwirken, muss der Anwender eine zusätzliche,

nicht leitfähige Schicht zwischen der Außenseite und

der EMI-Dichtung aufbringen. (prm) ■

Tabelle 1 (links):

Informationen über

das elektrochemische

Potenzial des Mate-

rials.

Tabelle 2 (rechts):

Elektrochemisches

Potenzial in Millivolt.

AutorGerard Young

Applications Team Leader bei Parker Hannifin,

Chomerics Division


Strom, Energiespeicher EMV-Abschirmung

Bild

er: P

arke

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mer

ics

Strom, Energiespeicher Highlight

Der sekundärseitige Synchrongleichrich-

ter-Controller SRK1001 von ST Micro-

electronics wartet mit adaptiven Features

auf, die die Schaltungsabmessungen ver-

ringern und das Design von Netzteilen,

Ladegeräten, USB-Power-Delivery-

Anschlüssen und Beleuchtungs-Netztei-

len auf Sperrwandler-Basis vereinfachen

sollen. Der für schnelles Einschalten mit

minimaler Verzögerung ausgelegte und

mit einer adaptiven Abschaltlogik aus-

gestattete SRK1001 maximiert die Dauer

der Einschaltphase des Synchrongleich-

richter-MOSFET, um einen optimalen

Wirkungsgrad und minimale Schaltver-

luste zu erzielen. Das Design des SRK1001

kommt ohne externe Kompensations-

schaltungen aus und eliminiert damit die

Auswirkungen parasitärer Induktivitäten.

Zudem verfügt der SRK1001 über eine

hohe Wandler-Effizienz, wenn die Last

gering ist und die Synchrongleichrich-

tung keine Vorteile mehr bietet. Der Bau-

stein wechselt deshalb automatisch in

einen Stromspar-Modus, sobald die Ein-

schaltdauer des MOSFET auf die pro-

g rammier te Mindest-Einschaltzeit

absinkt oder er feststellt, dass der primär-

seitige Controller im Burst-Modus arbei-

tet. Die Ruhestromaufnahme in dieser

Betriebsart beträgt 160 μA. Der SRK1001

lässt sich sowohl in Quasiresonanz-

Wandlern (QR) als auch im Festfrequenz-

DESIGN VEREINFACHEN

Synchrongleichrichter-Controller für Netzteile


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Wenn man ein Rechenzentrum verwaltet, das mehr Leistung aufnimmt als eine Kleinstadt, kann man sich keinen Systemausfall leisten. Positronic

42 Tausend Server.21 Megawatts an Leistung.Null Fehlertoleranz.

Betrieb bei bis zu 300 kHz mit Wechsel

zwischen nicht-lückendem und lücken-

dem Betrieb (Continuous/Discontinuous

Current Mode, CCM/DCM) einsetzen.

Eine programmierbare Austastzeit soll

nach Unternehmensangaben Robustheit

gewährleisten, was verhindert, dass Stö-

rungen zu einem nicht vorgesehenen Ver-

halten führen. Der SRK1001 eignet sich

für Anwendungen mit Ausgangsspan-

nungen bis zu 24 V und kann im nicht-

lückenden Betrieb Ausgangsspannungen

bis 2 V herab regeln. Sein Eingangsspan-

nungsbereich beträgt 4,5 V bis 32 V. Der

Ausgang verkraftet als Stromsenke bis zu

1 A und als Stromquelle bis zu 0,6 A, um

das Gate eines externen n-Kanal-Syn-

chrongleichrichtungs-MOSFET anzu-

steuern. (prm) ■

Der Ausgang ver-

kraftet als Strom-

senke bis zu 1 A

und als Stromquel-

le bis zu 0,6 A, um

das Gate eines ex-

ternen n-Kanal-

Synchrongleich-

richtungs-MOSFET

anzusteuern.Bild

: ST

Micr

oele

ctro

nics


Power Quality, Energiemanagement DC/DC-Wandler

DC/DC-Wandler mit hoher FunktionalitätNeue Stromversorgung für mehr Verfügbarkeit

Die Anforderungen an DC/DC-Wandler steigen stetig und werden vielfältiger. Um diesen Trend mit zukunftsfä-

higen und leistungsstarken Produkten zu bedienen, hat Phoenix Contact die neuen DC/DC-Wandler Quint mit

erweiterten Funktionen und einer deutlich längeren Lebensdauer auf den Markt gebracht. Autor: Tobias Lüke

Bilder: Phoenix Contact

Immer häufiger stehen neben den Hauptfunktionen der

DC/DC-Wandler wie der galvanischen Isolation oder dem

Auffrischen von Spannungen am Ende langer Leitungen

erweiterte Funktionsbereiche im Fokus der Anwender. So

werden Stromversorgungen nachgefragt, die zum Starten

schwerer Lasten eine Leistungsreserve bieten. Auch eine prä-

ventive Funktionsüberwachung und eine freie Wahl der

Anschlusstechnik rücken immer deutlicher in den Fokus, um

Installations- und Servicekosten zu minimieren. All diese

Anforderungen wurden bei der Entwicklung der neuen Gene-

ration der Quint-DC/DC-Wandler von Phoenix Contact

berücksichtigt.

Starke AusgangsseiteMit dem statischen und dynamischen Boost sowie mit der SFB-

Technologie (Selective Fuse Breaking) bieten die DC/DC-Wand-

ler Quint die stärkste Ausgangsseite, die heute am Markt ver-

fügbar ist. Soll eine bereits in Betrieb stehende Anlage erweitert

werden, muss nicht abgeschaltet oder auf den nächst größeren

DC/DC-Wandler zurück gegriffen werden. Ermöglicht wird die-

se Funktion durch die statische Leistungsreserve. Diese zusätz-

liche Reserve beträgt 25 Prozent der Nennausgangsleistung, die

dauerhaft bis zu einer Umgebungstemperatur von 40 °C abge-

rufen werden kann. Somit kann ein Wandler mit 10 A Nennaus-

gangsstrom kontinuierlich 12,5 A zur Verfügung stellen.

elektronik journal 03 / 2020 21www.all-electronics.de


Im Anlaufmoment eines Elektromotors ist die Stromaufnah-

me typischerweise um einiges höher als im statischen Zustand.

Um diesen zusätzlichen temporären Bedarf zu decken, verfügen

die Quint-DC/DC-Wandler auch über eine dynamische Leis-

tungsreserve. Der dynamische Boost liefert die doppelte Aus-

gangsleistung für eine Dauer von 5 s. Dadurch ist eine Überdi-

mensionierung des DC/DC-Wandlers beim Starten schwerer

Lasten nicht erforderlich – für Nutzer eine hohe Kosten- und

Platzersparnis.

In komplexen Anlagen, in denen mehrere Verbraucher paral-

lel an die Wandler angeschlossen sind, ist die SFB-Technologie,

über die nur Phoenix Contact verfügt, besonders vorteilhaft. Sie

stellt mit dem sechsfachen Nennstrom für 15 ms ausreichend

Strom zur Verfügung, um handelsübliche Leitungs schutzschalter

schnell auszulösen. So lassen sich DC-Stromkreise zuverlässig

und wirtschaftlich absichern. Nur der fehlerhafte Strompfad wird

abgeschaltet, der Fehler ist eingegrenzt und wichtige Anlagen-

teile bleiben weiterhin in Betrieb.

Präventive FunktionsüberwachungDen aktuellen Zustand der DC/DC-Wandler zu kennen ist unum-

gänglich, wenn es um hohe Anlagen verfügbarkeit geht. Die

Informationen über den Status der Anlage helfen Anlagenbe-

treibern, frühzeitig mögliche Veränderungen im Betrieb zu erken-

nen und Fehlern vorzubeugen. Daher ist eine präventive Funk-

tionsüberwachung zur Ferndiagnose des Netzteils sinnvoll. Die

Ferndiagnose spielt vor allem in schwer zugänglichen Bereichen

eine Rolle, wie es etwa bei Windkraftanlagen der Fall ist. Durch

die permanente Überwachung von zum Beispiel Spannung und

Strom werden kritische Situationen über den frontseitig integ-

rierten LED-Bargraph visualisiert und dem potenzialfreien Relais-

kontakt sowie dem aktiven Signalausgang der Steuerung gemel-

det, bevor ein Problem auftritt.

Die Überwachung der Eingangsspannung kommt besonders

in Applikationen zum Tragen, in denen der DC/DC-Wandler über

eine externe Batterie betrieben wird. Sinkt die Batteriespannung

Bild 1: Quint-DC/DC-

Wandler: Minimie-

rung der Inspektions-

und Servicekosten

durch präventive

Funktionsüberwa-

chung und lange

Lebensdauer.

In Kombination mit der präventiven Funktions überwachung eignen

sich die neuen DC/DC-Wandler Quint von Phoenix Contact mit erwei-

terten Funktionen sehr gut für den Einsatz in Anlagen, die eine hohe

Funktionalität und Verfügbarkeit erfordern. Sie bieten eine freie Wahl

der Anschlusstechnik und ein umfangreiches Zulassungspaket.

Eck-DATEN



unter einen kritischen Wert, droht der Stillstand

der Anlange. Die Quint-DC/DC-Wandler melden

dies rechtzeitig und vermeiden somit den Ausfall

des Systems (Bild 3).

Freie Wahl der Anschlusstechnik und ZulassungspaketDie Akzeptanz der Anschlusstechnik ist länder-

und branchenspezifisch. So ist beispielsweise im

Maschinenbau die Schraubanschlusstechnik

Standard, während im Schiffbau Anschlussklem-

men mit Push-in-Federanschluss bevorzugt wer-

den. Jetzt ermöglichen die DC/DC-Wandler Quint

Endanwendern die freie Wahl der Anschluss-

technik. Sie können sich erstmals zwischen Gerä-

ten mit Schraubanschlussklemmen und Push-in-

Technik entscheiden (Bild 4).

Nicht selten herrschen extreme Bedingungen,

denen Anlagen und Geräte standhalten müssen.

Beide Anschlusstechniken sorgen für eine siche-

re und zuverlässige Verbindung, was unter ande-

rem durch Vibrationsprüfungen mit 2,3 g in allen

drei Achsen belegt ist. Deshalb steht dem Einsatz

der Geräte auch in Windturbinen oder auf Schif-

fen nichts im Wege.

Die DC/DC-Wandler Quint sind mit dem

umfangreichen Zulassungspaket flexibel einsetz-

bar. Für den weltweiten Einsatz wurden die

Wandler nach den gängigen IEC- und UL-Stan-

dards zugelassen. Durch IECEx-, Atex- sowie

UL-Hazloc-Zulassungen eignen sie sich auch für

den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen

der Zone 2. Solche gefährlichen Umgebungen gibt

es häufig in der Prozessindustrie, wenn leichtent-

zündliche Stoffe verarbeitet werden. Durch die

DNV-GL- und ABS-Zulassung lassen sich die

DC/DC-Wandler darüber hinaus auch auf Schif-

fen einsetzen (Bild 5).

Hohe Anlagenverfügbarkeit durch lange LebensdauerTrotz der üppigen Leistungsreserven, dem großen

Funkt ionsumfang, der parametr ierbaren

Funktions überwachung und der hohen mecha-

nischen Robustheit bieten die neuen Wandler eine

deutlich längere Lebensdauer. Gründe dafür sind

zum einen ein verbessertes Schaltungskonzept

und zum anderen die gesteigerte Effizienz. Ein

Wirkungsgrad von über 94 Prozent führt zu einer

geringen Verlust leistung und dadurch zu einer

niedrigen Eigen erwärmung der Wandler, was eine

längere Lebens dauer der Geräte bewirkt. Weitere

Leistungs- sowie Spannungsvarianten folgen in

den nächsten Jahren. (neu) ■

AutorTobias Lüke

Produktmanager Business Unit Power

Supplies, Phoenix Contact Power Supplies,

Paderborn


Bild 5: Die neue Ge-

neration Quint-DC/

DC-Wandler: Die Ge-

räte sind mit Nenn-

ausgangsleistungen

von 120 und 240 W

sowie mit Schraub-

oder Push-in-An-

schlusstechnik ver-

fügbar. Weitere Leis-

tungsklassen und

Spannungsvarian-

ten folgen.

Quint-DC/DC-Wandler auf einen Blick

Die Eigenschaften

• Starke Ausgangsseite:

einfache Anlagener-

weiterung, zuverlässiges

Starten schwerer Lasten

und Auslösen von LS-

Schaltern

• Umfangreiche Signali-

sierung: präventive

Funktionsüberwachung

meldet kritische Be-

triebszustände, bevor

Fehler auftreten.

• Freie Wahl zwischen

Push-in- und Schraub-

anschluss

Technische Daten

• Statischer Boost bis 125 %

dauerhaft

• Dynamischer Boost bis

200 % für 5 s

• Selective Fuse Breaking

Technology (SFB): sechsfa-

cher Nennstrom für 15 ms

• Analog-, Digital- und Re-

lais-Kontakte

• IECEx-Zulassung

• Temperaturweitbereich:

-25 bis 70 °C,

• Startup type tested: -40 °C

Bild 4: Freie Wahl

der Anschlusstech-

nik: Mit der Push-in-

Anschlusstechnik

(links) für die schnel-

le, werkzeuglose

Verdrahtung und

der konturgleichen

Schraubanschluss-

technik (rechts) bie-

ten die DC/DC-

Wandler Quint den

Anwendern eine ho-

he Flexibilität.

Bild 3: Dynamische

Leistungsreserve:

Bis zu 200 Prozent

der Nennausgangs-

leistung stehen bis

zu 5 s für den An-

laufstrom beim

Starten von Moto-

ren zur Verfügung.

Bild 2: Übersicht

über die Möglichke-

ten der präventiven

Funktionsüberwa-

chung: Die Signal-

optionen lassen sich

frei parametrisie-

ren, die Status-LEDs

zeigen kontinuier-

lich den Zustand

der DC/DC-Wandler

an.


Power Quality, Energiemanagement Highlight

Die mit einer aktiven Leistungsfaktorkor-

rektur ausgerüsteten Stromversorgungen

der neuen Baureihe LMF von Mornsun

erreichen Leistungsfaktoren bis 0,99 und

erfüllen die relevanten Vorgaben der Norm

EN 61000-3-2 für Oberwellenströme.

Die Stromversorgungen LMF75-20Bxx,

LMF100-20Bxx, LMF150-20Bxx und

LMF320-20Bxx liefern Ausgangsleistungen

von 75 W, 100 W, 150 W beziehungsweise

320 W und ermöglichen mit universellen

Eingangsspannungsbereichen (85-264 VAC

und 120-373 VDC

) den direkten Anschluss

an viele Wechsel- und Gleichspannungs-

netze weltweit. Zu jeder Leistungsklasse

gehören fünf Geräteversionen mit einem

Ausgang für eine Spannung von 5 V, 12 V,

15 V, 24 V oder 48 V, die ausgehend von

ihrem Nominalwert mit einer Trimm-

Schraube um bis zu -5 % beziehungswei-

se +10 % variiert werden kann.

Eine aktive Leistungsfaktorkorrektur

(Power Factor Correction – PFC) sorgt

dafür, dass die Oberwellenströme stets

deutlich unter den in der Norm EN 61000-

3-2 festgelegten Grenzwerten bleiben. Die

Isolation zwischen Eingang und Ausgang

ist ausgelegt für Spannungen bis 4,0 kVAC

.

Funktionen zum Schutz vor Kurzschluss,

Überstrom, Überspannung und Übertem-

peratur und eine MTBF (meantime bet-

ween failures) von über 250.000 Stunden

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IOT-KOMMU-NIKATION

TSR1WI

TRI20

KIKÜNSTLICHE INTELLIGENZ

TRS2

sollen für einen sicheren und zuverlässi-

gen Betrieb sorgen. Als optionale Aus-

stattungen stehen eine Schutzlackierung

des Gehäuses oder eine Schutzabdeckung

der Anschlüsse zur Verfügung. Die

Stromversorgungen LMF75/100/150/320-

20Bxx lassen sich universell in den Berei-

chen Industrie, Labor und Consumer ein-

setzen. (prm) ■

Besonders geeignete Anwendungen sind bei-

spielsweise Mess-, Steuer- und Regelungsgeräte,

Automatisierungsausrüstungen, verteilte Netze,

Sicherheitstechnik, Smart Home, IoT und Haus-

geräte. Bilder: Mornsun

Stromversorgungen LMF75/100/150/320-20Bxx

Eingangs-spannung

Artikel-Nummer Ausgangs-leistung

Ausgangs-spannung

Isolation Suffi x

85-264 VACoder

120-373 VDC

LMF75-20Bxx(-Q/C) bis 76,8Wxx:

5V, 12V, 15V, 24V, oder 48V

4 kVAC

Q: Schutzlackierungdes Gehäuses

C: Schutzabdeckung der Anschlüsse

LMF100-20Bxx(-Q/C) bis 100,8WLMF150-20Bxx(-Q/C) bis 153,6WLMF320-20Bxx(-Q/C) bis 321,6W



Power Quality, Energiemanagement Wireless Charging

Beim kabellosen Laden wird ein wechselndes Magnetfeld

genutzt, um Energie zwischen zwei Objekten über Spu-

len zu übertragen. Die Effektivität der Energieübertra-

gung zwischen den Spulen wird als „Kopplung“ bezeichnet

und hängt von mehreren Parametern ab wie beispielsweise von

der mechanischen Konstruktion der Spulen sowie deren

Abstand und Ausrichtung. Wenn die Spulen aufeinander aus-

gerichtet sind und sich in unmittelbarer Nähe befinden, ist die

kabellose Energieübertragung fast so effizient wie das kabel-

gebundene Laden.

Lösungen für kabelloses Laden haben zwei Schlüsselelemen-

te: den Sender und den Empfänger. Der Sender enthält einen

MOSFET-Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom

umwandelt, der die Spule ansteuert und das magnetische Wech-

selfeld erzeugt. Um die erforderliche Flexibilität und Funktiona-

lität zu gewährleisten, wird der Wechselrichter von einem Leis-

tungsregler in Echtzeit über die zugehörigen MOSFET-Treiber

gesteuert. Der Empfänger enthält einen Gleichrichter zur

Umwandlung des eingehenden Wechselstroms in Gleichstrom

und eine Regelstufe zur geregelten Versorgung der Last. Die

meisten Empfänger enthalten auch einen kabellosen Leistungs-

regler, der das gesamte Systemmanagement und die Kommuni-

kation übernimmt.

Unterschiedliche Übertragungsmöglichkeiten nutzenBei der kabellosen Energieübertragung über magnetische Wech-

selfelder kommen grundsätzlich zwei Technologien zum Einsatz

– induktive und resonante Übertragung. Entsprechend der unter-

schiedlichen Vorteile dieser beiden Technologien gibt es zwei

Normungsgremien für den Markt für kabellose Ladegeräte: das

Wireless Power Consortium (WPC) und die Airfuel Alliance.

Sichere kabellose StromversorgungKomplettlösungen laden Industrieanwendungen kabellos

Kabelloses Laden bietet eine Reihe an Vorteilen. Allerdings bringt die Technologie auch einige Herausforde-

rungen für Entwickler mit sich. Infineon bietet in Zusammenarbeit mit Spark Connected Komplettlösungen für

das kabellose Laden. Autoren: Ralf Ködel, Ken Moore

Es gibt eine Reihe von Herausforderungen für Entwickler kabelloser

Ladeprodukte, die ein hohes Maß an Systemkenntnis und Fachwis-

sen erfordern. Neben den Ladespulen und ihrer Wechselwirkung mit

den umgebenden Strukturen müssen sich die Konstrukteure mit

dem Wirkungsgrad, dem mechanischen Gehäuse und elektromagne-

tischen Störungen (EMI) befassen. Mit optimierten Komponenten

und sorgfältiger Ausrichtung von Ladegerät und Verbraucher, Spu-

len der richtigen Größe und dem richtigen Abstand zwischen den

Spulen kann jedoch ein guter Kopplungsfaktor erreicht und die Leis-

tung mit hohem Wirkungsgrad übertragen werden. Darüber hinaus

können metallische Fremdkörper wie etwa Münzen und Schlüssel

während des Ladevorgangs ein Sicherheitsrisiko darstellen und müs-

sen durch Fremdkörpererkennung (Foreign Object Detection – FOD)

zuverlässig erkannt werden.

Eck-DATEN

Bild 1: Vielfältige kabellose Ladeanwendun-

gen bieten den Nutzern mehr Komfort.


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mente bieten wir Ihnen weltweit ein breites Produktportfolio,

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Das Wireless Power Consortium (WPC) unterstützt den Qi-

Standard für kabelloses Laden. Qi ermöglicht mit induktiver

Technologie ein effizientes und eng gekoppeltes Laden. Darüber

hinaus enthält die zukünftige Version des WPC-Qi-Standards

Vorgaben für einen zertifizierten Authentifizierungsstandard.

Optiga-Trust-Qi ist die schlüsselfertige IoT-Sicherheitslösung

von Infineon speziell für die Herausforderungen des sicheren

kabellosen Ladens gemäß dem Qi-Standard.

Induktive Übertragung mit einer Spule ist die am weitesten

verbreitete Lösung auf dem Markt und besteht aus einer einzigen

Übertragerspule für Frequenzen zwischen 80 und 205 kHz. Die-

ses Konzept erfordert eine Zentrierung des zu ladenden Gerätes

auf die Übertragerspule und kann jeweils nur ein einzelnes Emp-

fangsgerät laden. Bei guter Konstruktion und hochwertiger Leis-

tungswandlerelektronik lässt sich der Wirkungsgrad dieses Lade-

vorgangs mit kabelgebundenem Laden vergleichen. Dieser Ansatz

lässt sich auf ein Ladegerät mit mehreren Spulen erweitern, was

den Vorteil bringt, dass die Positionierung des Gerätes viel weni-

ger präzise sein muss. Intelligente Systeme können etwa erken-

nen, welche Spule dem zu ladenden Gerät am nächsten liegt und

dann die Leistung entsprechend steuern.

Die Airfuel Alliance (Airfuel) verfügt über eine breite Techno-

logieplattform mit resonanten und nicht gekoppelten Techno-

Bild 2: Kabellose Ladegeräte basieren vor allem auf zwei Standards (WPC

und Airfuel Alliance) mit eng gekoppelten (induktiven) und lose gekoppel-

ten (resonanten) Architekturen.



logien. Mit resonanten Ladegeräten und einer Magnetresonanz-

frequenz von 6,78 MHz kann diese Plattform einen viel größeren

vertikalen Bereich von 50 mm oder mehr überbrücken. Zudem

lassen sich mehrere Geräte mit einer einzigen größeren Übertra-

gerspule laden, was auch eine größere aktive Ladefläche („Sweet

Spot“) ermöglicht. Im Vergleich zu induktiven Lösungen bietet

die Resonanztechnologie von Airfuel ein flexibleres Nahfeld-Laden

und mehr Positionierungsfreiheit. So eignet sich diese Technolo-

gie für Geräte mit hohem Metallanteil, unregelmäßigen Formen

und zur gleichzeitigen Ladung mehrerer Geräte.

Aber es gibt einige Herausforderungen bei der resonanten

Ladung. Gerade das schnelle Schalten der Leistung ist proble-

matisch. Die Gate-Charakteristik des MOSFETs muss für die

Anforderungen des 150-ns-Zyklus geeignet sein. Andererseits

muss das System minimale parasitäre Kapazitäten erreichen, und

zur Regelung der Ausgangsleistung ist eine effiziente Spannungs-

regelung erforderlich.

Durch die Partnerschaft mit Spark kann Infineon sowohl

induktive als auch resonante Technologien anbieten und damit

eine individuelle Lösung ermöglichen, die alle Anwendungs-

Anforderungen erfüllt.

Zuverlässige Erkennung von FremdkörpernStandardverfahren zur FOD nutzen die große Primärspulen-

wicklung zur Erkennung von Fremdkörpern, dieses Konzept

reduziert jedoch die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-

Verhältnis. Kleinere Objekte sind aufgrund ihres geringen Ein-

flusses auf das Magnetfeld der viel größeren Primärspule schwer

zu erkennen. Bestehende Übertragerlösungen messen die zur

Berechnung des Leistungsverlustes benötigten Parameter (Span-

nung und Strom) am Gleichstromeingang des Wechselrichters.

Dies verfälscht die Messung der Ist-Werte an der Spule und führt

zu einer ungenauen Berechnung der Übertragerverluste.

Die Lösung von Infineon und Spark ist Qi-zertifiziert und

erfüllt die Qi-Vorgaben und Qi-Fremdkörpererkennung in vollem

Umfang. Zudem verwendet sie genauere Messverfahren, die die

Eigenschaften des Qi-Standardverfahrens zur Erkennung von

Fremdkörpern verbessern: Zur Berechnung verwendet das Sys-

tem die Ist-Spannung und den Ist-Strom und nicht der Eingangs-

gleichstrom des Wechselrichters, was zu genaueren Ergebnissen

führt und somit zur Erkennung kleinerer Fremdkörper. Der Über-

trager bestimmt mit KI-Algorithmen und durch maschinelles

Lernen, ob die Ladeumgebung sicher ist, wenn Metallgegenstän-

de vorhanden sind.

Die Stärke der kabellosen Ladelösung von Infineon und Spark

liegt nicht in einem anwendungsspezifischen IC für Protokoll

und Stromversorgung, sondern vor allem in der modularen Soft-

warearchitektur. Kabellose Stromversorgungen entwickeln sich

ständig weiter, da die Standards reifen und neue Produkte und

Anwendungen auf den Markt gebracht werden. Der hohe Soft-

wareanteil der Lösung ermöglicht den Einsatz einer gemeinsamen

Hardwarearchitektur für mehrere Referenzentwicklungen, wobei

jeder Referenzentwurf flexibel genug für mehrere Arten von

Anwendungen ist. Darüber hinaus können zukünftige Ände-

rungen der kabellosen Ladestandards durch ein Software-

Upgrade unterstützt werden.

Wireless-Power-Controller mit Aurix und XMCFür kabelloses Laden gibt es spezielle kabellose Leistungsreg-

ler auf Basis der Aurix- und XMC-Produktfamilie. Aurix-Wirel-

ess-Power-ASICs tragen dazu bei, dass die kabellosen In-Cabin-

Ladesysteme der nächsten Generation die strengen Anforde-

rungen an Sicherheits-, Umweltschutz- und Regulierungsvor-

schriften erfüllen und trotzdem Ladeeigenschaften mit einem

hohen Wirkungsgrad vereinen. Dieser Controller arbeitet mit

den Leistungs- und Schnittstellen-ICs von Infineon zusammen

und ermöglicht so eine komplette Ladelösung für Smartphones

und andere angeschlossene Geräte. Zudem unterstützt er Lade-

vorgänge bis 15 W für heutige Standard-Qi- und Schnelllade-

Smartphones und zukünftige Standards durch Software-

Updates.

Referenz-Designs für Anwendungen der nächsten GenerationDurch die Zusammenarbeit mit Spark Connected bietet Infi-

neon eine vollständige Roadmap an Referenz-Designs für induk-

tive und resonante kabellose Lösungen (Bild 2). Diese Referen-

zentwürfe umfassen das Hardware-Design, die Stückliste, Bei-

spiele für das Platinen-Layout sowie die komplette Dokumen-

tation und Unterstützung zur Integration einer Lösung für die

Umsetzung vom kabellosen Laden in das Produkt des Kunden.

• „The Pegasus“ ist eine induktive Lösung mit geringer Leis-

tung, die das Laden eines einzelnen Gerätes mit bis zu 2 W

bei einer Eingangsspannung von 5 V unterstützt. Hauptan-

wendungsbereiche der Komponente sind Produkte mit gerin-

gem Stromverbrauch.

• „The Hydra“ ist eine Lösung für bis zu 2,5 W mit der XMC-

Produktfamilie und einem kabellosen Resonanzladegerät.

Durch Verwendung einer Frequenz von 6,78 MHz können

sehr kleine Spulen unterschiedlicher Bauarten eingesetzt

werden, auch bei Metallgegenständen in der Nähe. Die Ein-

gangsspannung beträgt 5 V – 19 V.

UART (GUI) USB for power (QC asdaptor)

LED (green/red)

Boost FET driver

Boost FET

Boost FET

Boost inductor

Boost diode

Bridge FET driver

Coil connention

3.3V LDO

Sensing / Filtering

XMC MCU

Resonant capacitors

Bridge FETs

Bild 3: Kompakter Referenzentwurf eines 15-W-Qi-Senders (The Valkyrie)

mit geringer Komponentenanzahl basierend auf einem XMC-Mikrocont-

roller.

Bild

er: I

nfine

on

elektronik journal 03/2020 27www.all-electronics.de

AutorenRalf Ködel

Director Product Marketing Management für

Automotive & Industrial MicroController

bei Infineon

Ken Moore

Chief Executive Officer von Spark Connected


• „The Valkyrie“ ist ein zertifizierter Qi-Übertrager, der die

15-W-Spezifikation zur Energieübertragung für alle schnell

ladbaren Smartphones unterstützt. Die Lösung besteht aus

einem Power-Design-Kit und ermöglicht einen Wirkungsgrad

von mehr als 80 Prozent sowie einer Erkennung von Fremd-

körpern. Durch die geringe Komponentenanzahl der Lösung

sind zudem Entwürfe mit reduzierten Systemkosten möglich

(Bild 3). Es werden Ladezeiten erreicht, die nahezu kabelge-

bundenen Ladegeräten entsprechen.

• „The Beast“ ist ein 15-W-Referenzentwurf mit drei Spulen

für das kabellose Laden in Automobilen (Bild 4), der sowohl

Qi-zertifiziert als auch für die Automobilindustrie qualifiziert

ist. Der Entwurf auf Basis der Aurix-Produktfamilie unter-

stützt kabelloses Laden, CAN und eine externe NFC-Schnitt-

stelle mit einer einzigen CPU. Die integrierte Sicherheits-

funktionalität (HSM) erfüllt die aktuellen Anforderungen

der Automobilindustrie.

• „The Gorgon“ eignet sich für Anwendungen wie 5G Teilneh-

merendeinrichtungen („CPE“), Sicherheitskameras für den

Außenbereich, Telekommunikationsinfrastruktur und Fab-

rikautomation. Als proprietäre induktive Übertrager-/Emp-

fänger-Lösung kann das System ein Gerät kontinuierlich mit

bis zu 30 W durch 30 mm dickes Glas oder andere nichtme-

tallische Materialien versorgen.

• „The Minotaur“ ist das einzige kabellose 45-W-Komplettla-

desystem der Serie für Tablets und Laptops der nächsten

Generation. Die Lösung besitzt einen Wirkungsgrad von 95

Prozent und erlaubt eine einfache Integration bei geringer

Wärmebelastung. Die Lösung erweitert das bestehende

Angebot an Smartphone-Ladesystemen und ermöglicht eine

echte Vorwärts- und Rückwärts-Interoperabilität für die

Nutzer.

• „The Ogre“ ist mit 80 W eine weitere induktive, kabellose

Ladelösung von Infineon, die eine hocheffiziente Ladung mit

kompakten Spulen ohne spezielles Wärmemanagement

ermöglicht.

AusblickDa kabellose Energieversorgung immer mehr zu einem wesent-

lichen Bestandteil unseres mobilen und vernetzten Lebens wird,

arbeiten Infineon und Spark Connected weiter an Technologi-

en und Standards der nächsten Generation, die ein unkompli-

ziertes Laden ohne Kabel ermöglichen. Was mit Telefonen

begann, wird schnell für Anwendungen wie Tablets, Laptops,

Handheld-Spielkonsolen, medizinische Geräte, Automobile,

Infrastruktur und Industrie 4.0 übernommen werden. Ange-

sichts der Breite und der verschiedenen Arten kabelloser Tech-

nologien zur Energieversorgung bieten Infineon und Spark

Connected Lösungen, die es den Anwendern ermöglichen soll,

auch auf das letzte Kabel in der jeweiligen Anwendung verzich-

ten zu können.

In Zukunft werden bestimmte Anwendungen sehr hohe Leis-

tungen oder höhere Frequenzen für spezifische Ladesituationen

benötigen. Diese Anwendungen werden von Lösungen profitie-

ren, die weiter verbesserte Eigenschaften haben und höhere

Energiemengen übertragen. In vielen dieser Situationen ist der

Wirkungsgrad die kritische Kennzahl, und GaN-E-Mode-HEMTs

ermöglichen Hochleistungsladegeräte mit überschaubarer Wär-

mebelastung. Aufgrund seiner besseren Hochfrequenzeigen-

schaften eignet sich GaN auch für E-Verstärker für kabelloses

Laden nach dem Resonanzprinzip. (prm) ■

Bild 4: Blockschaltbild eines kabellosen Kfz-Ladegeräts

auf Basis des leistungsfähigen Aurix-Mikrocontrollers.d



Bauelemente/Module DC/DC-Wandler

Der naheliegende und leichteste Weg für die Parallel-

schaltung von Stromversorgungen wäre, deren Aus-

gänge einfach miteinander zu verbinden. Normalerwei-

se funktioniert dies jedoch nicht, da jedes Gerät seine eigene

Regelung für die Ausgangsspannung hat und versucht, diese

auch bei Laständerungen und gegen die Regelung der anderen

Geräte einzuhalten.

Dies gilt auch für Geräte mit traditionellem internen Fehler-

verstärker mit Referenz, bei denen Unterschiede in den Parame-

tern von Gerät zu Gerät immer dazu führen, dass ein Gerät die

komplette Last übernimmt, während die anderen keinen Strom

liefern. Dies führt letztendlich zu einer Überlast und einem poten-

ziellen Zusammenbruch der kompletten Versorgung.

Ein Lösungsweg für diese direkte Zusammenschaltung wäre,

dass ein Gerät sich im Konstantspannungsbetrieb befindet, die

anderen Geräte jedoch im Konstantstrombetrieb, allerdings mit

einem etwas höheren Wert für die nominale Ausgangsspannung.

Dabei müssen Entwickler bedenken, dass nicht alle Stromver-

sorgungen diese Betriebsarten erlauben. Die Versorgungen, deren

Ausgangsspannungen etwas höher eingestellt wurden, liefern

einen konstanten Ausgangsstrom und deren Ausgangsspannung

sinkt jeweils so weit ab, bis sie den Wert des Gerätes mit kons-

tanter Ausgangsspannung erreicht. Die Last muss dabei genug

Strom ziehen, damit die Stromversorgungen mit Konstantstrom-

kennlinie auch in diesem Arbeitsmodus bleiben.

Diese Lösung mit direkt verbundenen Ausgängen setzt voraus,

dass entweder die Stromversorgung sich für diesen Anwendungs-

fall eignet oder dass es einen einzigen Fehlerverstärker in der

Regelschleife gibt. Dieser meldet die Abweichung an alle Strom-

versorgungen, sodass alle die Last aufteilen. Diese Methode

Design von StromversorgungenParallelschaltung von DC/DC-Wandlern lässt sich unterschiedlich umsetzen

Die Parallelschaltung von Stromversorgungen ist eine interessante und auch zulässige Technik, um Vorteile

bei Lagerhaltung und Vereinheitlichung von eingesetzten Bauelementen zu erreichen sowie höhere Aus-

gangsströme und N+1 Redundanz zu realisieren. Voraussetzung ist jedoch ein Verständnis der möglichen

Topologien für eine Parallelschaltung sowie die Erzielung einer stabilen Regelschleife über mehrere Strom-

versorgungen hinweg. Autor: Arthur Russell

Es gibt Anwendungen, in denen die Parallelschaltung von DC/DC-

Wandlern einem Entwickler Vorteile bringt. Allerding muss er zur Um-

setzung mit verschiedenen Themen vertraut sein wie Topologie und

Regelschleife. Ein üblicher Ansatz für die Parallelschaltung eines DC/

DC-Wandlers ist die Gruppierung der Stromversorgung um einen ge-

meinsamen Signaleingang, der von einem einzigen Fehlerverstärker

angesteuert wird, dessen Signal das System auf alle betroffenen Ver-

sorgungen verteilt.

Eck-DATEN

Bild

: Chr

omaw

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ck.a

dobe

.com



erfordert jedoch auch einen sogenannten Share Bus für die Kon-

trollsingale von den Master zu den Slave Geräten.

Bei einem anderen Ansatz werden kleine Widerstände jeweils

in Reihe zu den Ausgängen jeder Stromversorgung geschaltet,

um damit eine gleichmäßige Verteilung des Laststromes auf alle

Geräte in einem Verbund zu erreichen (Bild 1). Durch den Wider-

stand wird die Lastausregelung etwas reduziert und auch Ver-

lustleistung erzeugt, was sich negativ auf den Gesamtwirkungs-

grad auswirkt.

Entkopplung mit OR-ing-DiodenEine scheinbar einfache Lösung für das Problem einer direkten

Zusammenschaltung der Ausgänge ist der Einsatz einer Diode

zwischen den jeweiligen Ausgängen und deren gemeinsamen

Lastpunkt. Diese Technik wird allgemein auch als „Dioden OR-

ing“ bezeichnet (Bild 2). Dies ist ein effizienter Weg, um zu ver-

hindern, dass eine Versorgung Strom vom gemeinsamen Last-

punkt zieht. Allerdings eignet sich diese Methode normalerwei-

se nicht dafür, die unterschiedliche Lastaufteilung zwischen

Stromversorgungen mit jeweils eigenem internen Fehlerverstär-

ker zu beheben.

Die Entkopplung mit Dioden wird normalerweise für Strom-

versorgungen erforderlich, die unabhängig arbeiten und in der

Lage sind, sowohl Strom zu liefern als auch Strom zu ziehen

(Zwei-Quadranten Modus). Werden derartige Stromversorgun-

gen ohne Entkoppeldioden direkt miteinander verschaltet, sind

die Auswirkungen weitaus drastischer als bei Stromversorgungen

mit Ein-Quadranten Modus. Mit großer Wahrscheinlichkeit

werden sofort eine oder mehrere Stromversorgungen direkt in

den Überlastfall gehen.

Haben diese Dioden auch noch einen negativen Temperatur-

koeffizienten für Ihre Flussspannung, führt dies zu einer Stro-

merhöhung im jeweiligen Verbund. Ein Weg, dies zu verhindern

ist der Einsatz eines Gleichrichters mit positivem Temperaturko-

effizienten.

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Harsh Environment

Bild 1. Ein Ansatz für

die Lastaufteilung ist

der Einsatz von nie-

derohmigen Serien-

widerständen an je-

dem Ausgang der

Stromversorgungen.

Dies erzeugt jedoch

Verluste an den Wi-

derständen und be-

einflusst den Gesamt-

wirkungsgrad.

Bild 2. Prinzipiell kön-

nen die Ausgänge

mehrerer DC-Strom-

versorgungen über

Dioden verbunden

werden, um damit die

Ausgänge voneinan-

der zu trennen. Diese

Konfiguration kann

jedoch Probleme

beim Abgleich sowie

bei der Lastaufteilung

bringen.

Bild

er: V

icor



Unter gewissen Umständen wie etwa bei einem Kurzschluss

eines FETs oder Kondensators am Ausgang einer Stromversor-

gung können diese Entkoppeldioden eine Erhöhung der Zuver-

lässigkeit bedeuten. Sie trennen diesen Kurzschluss sofort vom

Ausgangsbus und erhöhen damit die Zuverlässigkeit und Robust-

heit des Systems.

Strategie für die RegelungFür einen zuverlässigen und vorhersehbaren Betrieb bei einer

Zusammenschaltung müssen Entwickler zunächst Stromversor-

gungen für einen Parallelbetrieb entwickeln. Um dabei einen

entsprechenden Strom an die Last zu liefern, muss die Regel-

schleife für diesen Betrieb ausgelegt sein. Ein üblicher Ansatz

hierfür ist die Gruppierung der Stromversorgung um einen

gemeinsamen Signaleingang, der von einem einzigen Fehler-

verstärker angesteuert wird, dessen Signal das System auf alle

betroffenen Versorgungen verteilt.

Diese Strategie bietet eine gute Regelung der Ausgangsspan-

nung und weniger Fehler bei der Lastverteilung. Jedoch bildet der

Einsatz eines einzigen Fehlerverstärkers und eines einzelnen

Kontrollbusses auch die Gefahr eines sogenannten Single Point

of Failure (SPOF). Der Ausfall eines einzelnen Bauteiles kann also

bereits ein Problem in Applikationen darstellen, die höchste Zuver-

lässigkeit verlangen. Zusätzlich kann es schwierig sein, parame-

trische Abweichungen in der Verstärkerstufe unter Kontrolle zu

bekommen. In einem System mit einer einzigen Regelschleife

werden Differenzen bei der Lastverteilung minimiert, wenn die

Stromversorgungen möglichst enge Toleranzen an den Eingängen

für die Regelung aufweisen. Kommt es zu großen Unterschieden

bei der Stromaufteilung, müssen Entwickler Maßnahmen ergrei-

fen, welche die Leistung der gesamten Gruppe

reduzieren, um die Überlast einer einzelnen Strom-

versorgung durch ein Ungleichgewicht zu vermei-

den. Sollte dies nicht zu einem Ergebnis führen

müssen sie weitere Maßnahmen ergreifen.

Eine ungleiche Lastverteilung, welche durch klei-

ne Unterschiede im Regelkreis der Geräte stammt,

lässt sich durch einen Feinabgleich in der Produk-

tion beheben, welcher die Unterschiede ausgleicht.

Ein anderer Weg ist eine zusätzliche Stromregelung

für jede Stromversorgung in der Gruppe. Um den

Strom zu messen, ist typischerweise an jeder

Stromversorgung ein Shunt notwendig.

Für isolierte DC-DC-Wandler, deren Regelung

sich auf der Primärseite befindet, ergibt sich das

weitere Problem, dass das System das Ausgangs-

signal des Fehlerverstärkers über die Isolations-

strecke zwischen Primär- und Sekundärseite

übertragen muss. Diese bedeutet oftmals zusätz-

liche Kosten, mehr Platzbedarf auf der Platine und

kann die Zuverlässigkeit negativ beeinflussen.

Eine alternative Regelungstechnik, welche die Parallelschaltung

verschiedener Stromversorgungen ermöglicht, nutzt eine Kenn-

linie, welche den vorher erwähnten Serienwiderstand im Aus-

gangskreis simuliert. Bei dieser als geneigte Kennlinie bezeich-

neten Technik für die Lastaufteilung hat jede Stromversorgung

eine eigene Referenz und integrierte Regelung. Mit Zunahme

des Ausgangsstromes sinkt die Referenzspannung aber linear

um einen definierten Wert.

Die Parallelschaltung von Stromversorgungen mit dieser

geneigten Kennlinie kann sich negativ auf die Ausregelung von

Laständerungen oder Lastsprüngen auswirken. Eine externe

Regelung über diese Gruppe von Stromversorgungen mit geneig-

ter Kennlinie hinweg, kann eingesetzt werden, um die Auswir-

kungen der sinkenden Ausgangsspannung zu kompensieren.

Die statische Regelabweichung ist dann identisch zu der eines

traditionellen Fehlerverstärkers, da die externe Regelung als

Fehlerintegrator die Abweichungen kompensiert.

Design einer StromversorgungHersteller können eine Parallelschaltung von Stromversorgun-

gen einfacher gestalten. Die DCM-DC-DC-Wandler von Vicor

im Chip-Gehäuse (Converter housed in Package) haben bei-

spielsweise schon eine eingebaute negative Lastkennlinie. Mit

steigender Last reduziert die im DCM eingebaute Regelung die

Ausgangsspannung geringfügig. Dies hat die gleichen Auswir-

kungen wie der oben erwähnte Serienwiderstand, arbeitet jedoch

ohne einen Widerstand (Bild 3) und folgenden wichtigen Unter-

schieden: keine Verlustleistung in einem Widerstand sowie ein

verbessertes dynamisches Verhalten durch den Wegfall von hoch-

frequenten parasitären Effekten. Bei einer schnellen Änderung

Bild 3. Die Bauelemente im Chip-Gehäuse wurden für einen

Parallelbetrieb durch einfaches Zusammenschalten der

Ausgänge entwickelt. Keine Dioden, Widerstände oder an-

dere Schaltungen für die Lastaufteilung werden benötigt.


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der Spannung über dem Widerstand ändert sich daher auch

dementsprechend der Strom.

Implementiert wurde die Lastkurve in den DCM-Wandlern

durch eine diskrete Zeitmodulation des D/A-Wandlers, der die

Referenz für den Fehlerverstärker erzeugt. Als Ergebnis reagiert

der Widerstand, den die Last am DCM nachbildet, wie ein Wider-

stand mit einer parallel geschalteten großen Kapazität.

Diese Charakteristik am Ausgang erlaubt die direkte Parallel-

schaltung mehrerer DCMs, wobei bei jedem Wandler die eigene

interne Regelung aktiv ist. Die Aufteilung des gesamten Last-

stromes zwischen den DCMs ist gleichmäßig, sodass sich paral-

lel geschaltete DCMs wie ein einziges DCM verhalten, jedoch

mit höherem Ausgangsstrom (Bild 4). Wird eine Stromversorgung

mehr belastet als die anderen, steigt deren Temperatur gegenüber

den anderen Versorgungen, was wiederum ein Absinken der

Ausgangsspannung zur Folge hat. Die Ausgangsspannungen der

anderen, parallel geschalteten DCMs sinken ebenfalls auf diese

Spannung. Gemäß der Ausgangskennlinie werden diese DCMs

den Ausgangstrom erhöhen und damit wieder eine gleichmäßi-

ge Aufteilung des Laststromes erzielen. Die gleichen Überlegun-

gen gelten für Stromversorgungs-ICs für kleinere Lasten. So

ermöglicht etwa der LT3083, ein 3 A Low-Dropout-Linearregler

(LDO) von Linear Technology/Analog Devices, eine Parallel-

schaltung durch einen 10 Milliohm Widerstand zwischen jedem

Ausgang und dem gemeinsamen Ausgangsbus. (prm) ■

Bild 4. Bei den DCM-Wandlern verhalten sich mehrere parallel geschaltete

Geräte wie ein einziger Wandler. Wie aus der Kennlinie ersichtlich, funktio-

niert bei einer N+1 redundanten Zusammenschaltung für ein maximale

Last, die Einheit auch beim Ausfall eines Wandlers noch einwandfrei.


Bauelemente/Module GaN-FETs


Private New-Space-Raumfahrtunternehmen haben sich

rasch weiterentwickelt und treiben Kosteneinsparungen

beim Start großer Konstellationen von Kleinsatelliten

(Smallsats) in niedriger Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO)

weiter voran. Kleinsatelliten sind kosteneffizienter für LEO-Mis-

sionen und ermöglichen einen kostengünstigen Internetzugang

auf der ganzen Welt.

In der Vergangenheit gewährleisteten Satellitennutzlasten die

Zuverlässigkeit durch den Aufbau von Redundanz im Einzelsys-

tem, um sicherzustellen, dass ein bestimmtes System zehn bis

20 Jahre halten kann. Der New-Space-Ansatz sichert Redundanz

hingegen auf der Systemebene mit zahlreichen Satelliten ab. Das

heißt, fällt ein Satellit aus, können viele andere seinen Platz ein-

nehmen. Die erwartete Lebensdauer von Kleinsatelliten im LEO

beträgt etwa drei bis fünf Jahre und liegt damit deutlich unter

den Anforderungen der geostationären Umlaufbahn (GEO) von

zehn bis 20 Jahren.

Die New-Space-Bewegung ermöglicht es den Herstellern auch,

neuere Technologien wie Galliumnitrid (GaN) zu nutzen. Deren

Einsatz kam bisher in der Leistungselektronik nur langsam vor-

an, da es hierfür bisher keine Treiber gab. Der vorliegende Beitrag

erläutert die erheblichen Leistungsverbesserungen von GaN-FETs

im Vergleich zu Silizium-MOSFETs.

GaN-FETs zur Versorgung von KleinsatellitenGaN-FETs haben mehrere Funktionsmerkmale, die sie für Satel-

litenstromversorgungen attraktiv machen, wie zum Beispiel

inhärente Strahlungstoleranz, keine parasitäre p-n-Diode,

Weltraumtaugliche GaN-Schaltkreise im Low-Earth-OrbitFETs, Controller und Treiber: GaN zur Stromversorgung von Kleinsatelliten im LEO

Die New-Space-Bewegung ermöglicht es Satellitenherstellern, auch neuere Technologien wie Schaltkreise

auf GaN-Basis einzusetzen. Mit der Verfügbarkeit von GaN-FETs im Enhancement Mode und nun strahlungs-

toleranten PWM-Controllern und GaN-FET-Treibern lassen sich PWM-Anwendungen für den Einsatz im Low-

Earth-Orbit realisieren. Autor: Kiran Bernard

Bild

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e.co

m

elektronik journal 03/2020 33



schnelles Schaltverhalten, höhere Effizienz des Stromversor-

gungssystems und geringere Gesamtgröße. Im Gegensatz zu

Silizium-MOSFETs haben GaN-FETs keine Gateoxid-Schicht,

so dass Gammastrahlung keine Löcher im Gateoxid verursachen

kann. GaN-FETs zeichnen sich auch bei SEE-Tests (Single Event

Effect) durch eine gute Performance aus. Bild 1 zeigt die Struktur

eines GaN-FETs. Ausgangspunkt ist ein Standard-Silizium-

Wafer. Zu beachten ist, dass dieser GaN-FET ein laterales Bau-

element ist; der Stromfluss erfolgt horizontal durch das zweidi-

mensionale Elektronengas im oberflächennahen Bereich der

GaN-Schicht.

GaN ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke. Im Ver-

gleich zu Silizium kann der Abstand zwischen Drain und Sour-

ce bis zu zehnmal kleiner ausfallen. Bei gleichem RDS(on)

kann die

Kanalbreite, unter anderem aufgrund der wesentlich kürzeren

Kanallänge, wesentlich schmaler sein. Die geringere Chipgröße

eines GaN-FETs im Vergleich zu einem Silizium-MOSFET führt

zu Leistungsverbesserungen bei Schaltungsanwendungen. Para-

sitäre Einflüsse wie Ausgangskapazität und Layoutinduktivität

lassen sich reduzieren. Dies führt zu geringeren Schaltverlusten

und/oder zu einem Betrieb mit höherer Frequenz bei gleicher

Verlustleistung. GaN-FETs haben keine parasitäre p-n-Diode.

Dies ist insofern praktisch, da es keine Reverse Recovery gibt.

Diese verursacht nicht nur eine längere Totzeit bedingt durch die

Wiederherstellung der Diodenladung, sondern ist auch abhängig

von mehreren Faktoren, wie Temperatur, Strom und Zeit bei der

leitenden Diode. Das wirft die Frage auf: Wenn GaN-FETs diese

parasitäre Diode nicht haben, sind sie dann in umgekehrter

Richtung (von Source zu Drain) leitend, wenn das Gate sich im

Off-Zustand befindet (Vgs

= 0 V)?

Die Antwort lautet: Ja, GaN-FETs leiten in der umgekehrten

Richtung und nutzen den gleichen Kanal, den sie in der Vor-

wärtsrichtung nutzen, ohne parasitäres Element. Der Spannungs-

GaN-FETs eignen sich bestens für Satellitenanwendungen, benö-

tigen aber einen guten Gatetreiber, um ihr volles Potenzial auszu-

schöpfen. Zusammen ermöglichen sie effizientere Schaltvorgän-

ge, höhere Schaltfrequenzen, eine geringere Gatetreiber-Span-

nung sowie Lösungen mit geringeren Abmessungen im Vergleich

zu herkömmlichen Silizium-Pendants. Vorteilhaft ist es hierbei,

wenn das Bauelement bereits in der Entwurfsphase speziell auf

den Einsatz im Weltraum ausgelegt wird.

Eck-DATEN

Bild 1: Struktur eines EPC-GaN-Leistungstransistors. Der Stromfluss geschieht im 2D-Elektronengas im Oberflächenbereich der GaN-Schicht.

abfall in diesem leitenden Zustand ist jedoch größer als der einer

Diode. Der Gesamtverlust lässt sich aber durch eine sehr kurze

Totzeit minimieren. Da es keine Reverse Recovery gibt, lässt sich

eine Totzeit in der Größenordnung von 5 ns bis 15 ns erreichen.

Anwendungen für SchaltnetzteileMit GaN-FETs können Entwickler von Stromversorgungen ihre

Designs optimieren. Sie bieten Vorteile im Hinblick auf Größe,

Gewicht, Effizienz, EMI und potenziell geringerer Spannung

und höhere Regelkreisbandbreite.

Größe und Gewicht: Schnelles Schaltverhalten und weniger

parasitäre Elemente führen zu geringeren Verlusten bei jedem

Schaltzyklus. Ein Netzteilentwickler kann wählen, wie er diesen

Vorteil nutzen will, entweder die Schaltfrequenz erhöhen oder

den Wirkungsgrad verbessern oder einen Kompromiss aus bei-

dem (höhere Schaltfrequenz bei gleichzeitig höherem Wirkungs-

grad). Da die GaN-FETs selbst kleiner als entsprechende MOS-

FETs sind, liegt ein großer Vorteil in der Größe und dem Gewicht

der gesamten Stromversorgung. Dank eines erhöhten Wirkungs-

grads lassen sich Größe/Gewicht des Kühlkörpers reduzieren

ebenso wie die Leistungsaufnahme der Stromversorgung.

Eine höhere Schaltfrequenz bedingt kleinere Induktivitäten

und Kondensatoren. Bei Induktivitäten können verringerte Induk-

tivitätswerte zu geringeren Kupferverlusten führen. Bandbreite:

Durch die Möglichkeit, die Schaltfrequenz effizient zu erhöhen,

lässt sich die Geschwindigkeit der Regelschleife bei Bedarf erhö-

hen. Zu den Vorteilen eines schnelleren Einschwingverhaltens

Bild

: Ren

esas




gehört die Möglichkeit, die Größe der Ausgangskapazität zu

reduzieren. Da die Stromversorgung schneller auf eine Lastän-

derung reagieren kann, benötigt sie somit nicht so viel Energie

aus den Ausgangskondensatoren, um den Transienteneffekt

auszugleichen.

EMI: Eine Erhöhung der Schaltfrequenz und der Schaltge-

schwindigkeit scheint das Problem von Störaussendungen zu

erhöhen, hier jedoch bietet Galliumnitrid besondere Vorteile.

Weniger parasitäre Komponenten bedeuten weniger Energie,

die in diesen parasitären Elementen bei jedem Schaltzyklus

gespeichert und freigesetzt wird. Dank kleinerer Abmessungen

lässt sich das Schaltungslayout verbessern, um die Schleifenin-

duktivität zu reduzieren.

Gatetreiber für GaN-FETsUm GaN-FETs optimal zu nutzen, benötigen Entwickler einen

schnellen, spezialisierten Gatetreiber, der auf die ideale Treiber-

spannung abgestimmt ist. Die maximal zulässige Gatespannung

beträgt 6 V, welche in Satellitenanwendungen auf 4,5 V reduziert

wird. Diese Spannung hat im Vergleich zu einem Gatetreiber mit

5 V nur minimale Auswirkungen auf den RDS(on)

. Bei einer Trei-

berspannung von weniger als 4,5 V nominal würde dies zu einem

zu starken Anstieg des RDS(on)

führen.

Ein gut geregelter Gatetreiber hält die Gatespannung unab-

hängig von der Versorgungsleitung und den Schwankungen

der Ausgangslast aufrecht. Damit Satelliten im Orbit wie beab-

sichtigt funktionieren, müssen ihre Komponenten auch bei

längerer Exposition gegenüber einer Gesamtdosis ionisierender

Strahlung (TDI, Total Ionizing Dose) bei LDR (Low Dose Rate)

störungsfrei funktionieren. Zudem müssen sie Wechselwirkun-

gen mit ionisierten Teilchen (wie zum Beispiel schweren Ionen)

im Weltraum standhalten. Damit ein PWM-Controller und ein

GaN-FET-Treiber keine geänderten Betriebszustände aufweisen,

wenn ein Schwerion eine Ladung an einem Übergang positio-

niert, oder deren Schwellenwert mit der LDR-TID verändert

wird, müssen diese Einflüsse während der Chip- und Prozes-

sentwicklungsphase abgeschwächt werden. Bilder 2 und 3 zei-

gen, was ein Treiber und ein PWM-Controller leisten können,

wenn sie von Grund auf für den Weltraum konzipiert sind (im

Gegensatz zu einem kommerziellen, nach oben abgeschirmten

IC).

Der PWM-Controller, der mit dem GaN-FET-Treiber verbun-

den ist, muss auch unter dem Einfluss von schweren Ionen ein-

wandfrei funktionieren. Es ist oft verlockend, Bauteile für Indus-

trieanwendungen und Up-Screen-Bauteile aufgrund der anfäng-

lichen Kosten zu übernehmen. Sofern solche Bausteine jedoch

nicht für Weltraumanwendungen entwickelt wurden, ist mit

starken Leistungseinschränkungen zu rechnen. Bild 4 zeigt das

Verhalten zwei verschiedener PWM-Controller bei Schwerio-

nenbeschuß. (na) ■

AutorKiran Bernard

Application Engineer für Raumfahrt- und Hochzuverlässig-

keitsanwendungen bei Renesas


Bild 3: Die Gesamtgenauikeit des PWM-Controllers ISL71043M bei einer

LDR-Strahlungsbelastung.

Bild 2: Der Gate-Treiber ISL71040M hält auch bei LDR-Strahlungsbelastung

seine Spannung konstant.

Bild 4: Der linke Teil des Bildes zeigt einen

PWM-Controller, der nach einem Ionenbe-

schuss sein Regelungsverhalten vollständig

verliert. Der Controller auf der rechten Seite

erholt sich sehr schnell nach einem größeren

Impuls.Bild

er :

Rene

sas


Bauelemente/Module Highlights

Microchip hat sein Angebot an SiC-Leis-

tungsmodulen um Varianten mit 700, 1200

und 1700 V erweitert, die weniger Wär-

meentwicklung verursachen und einen

kleineren Footprint haben. Das SiC-Ange-

bot (Sil iziumkarbid) von Microchip

umfasst kommerzielle Leistungsmodule

auf Basis der Schottky-Barrier-Diode

(SBD). Die Module sind unter anderem als

Dual-Diode, Vollbrücke, Phasenstrang,

duale gemeinsame Kathode und 3-Pha-

sen-Brücke erhältlich. Zur Verfügung ste-

hen auch verschiedene Strom- und Gehäu-

seoptionen. Der Einsatz von SiC-SBD-

Modulen vereinfacht das Design durch

mehrere SiC-Dioden-ICs mit der Option,

Substrat- und Baseplate-Material in einem

einzigen Modul zu vereinen und anzupas-

sen. Dies maximiert die Schalteffizienz

und reduziert die Wärmeentwicklung und

den Platzbedarf. Die hohe Lawinenleis-

tungsfähigkeit der Bausteine verringert

den Bedarf an Dämpfungs-/Snubber-

MODULE MIT 700, 1200 UND 1700 V

SBD-basierte SiC-Module

schaltkreisen, und die Stabilität der Body-

Diode sorgt dafür, dass die interne Body-

Diode ohne langfristige Beeinträchtigung

arbeitet. Als Tools stehen eine 30-kW-

3-Phasen-Vienna-Leistungsfaktorkorrek-

tur (PFC), diskrete SiC- und SP3-/SP6LI-

Modul-Antriebsreferenzdesigns/-boards

zur Verfügung. (na) ■


Toshiba erweitert sein Angebot einkanali-

ger Treiber-ICs um den Baustein TB67H-

451FNB. Der Treiber wird im kleinen

HSOP8-Gehäuse (4,9 mm × 6 mm) ausge-

liefert und bietet eine selbstrückstellende

Überstromerkennung. TB67H451FNG

kann bürstenbehaftete DC-Motoren

antreiben und unterstützt unter anderem

batteriebetriebene Geräte und andere Sys-

teme mit einer 5-V-USB-Versorgung. Er

eignet sich auch für viele Industriegeräte

mit 12 bis 36 V, zum Beispiel Haushaltsge-

räte oder elektronische Türschlösser, die

eine Ansteuerung mit hohen Strömen bis

3,5 A erfordern. Betreibbar ist das IC mit

Eingangsspannungen von 4,5 bis 44 V. Der

maximale Ausgangsstrom beträgt 3 A bei

44 V. Zusätzlich bietet das IC Schutzme-

chanismen, unter anderem Unterspan-

nungssperre, Abschaltung bei Übertem-

peratur mit Auto-Return-Funktion und

MIT ÜBERSTROMERKENNUNG

Treiber-IC im HSOP8-Gehäuse

selbstrückstellenden Überstromschutz.

Letztere ist eine Sicherheitsfunktion, die

den Ausgang abschaltet, sobald der Aus-

gangsstrom den Schwellenwert über-

schreitet. Dabei wird der Ausgang auf

unbestimmte Zeit abgeschaltet, bis ein

Aus- und Einschalten erfolgt. (na) ■


Die SBD-Module mit 700, 1200 und 1700 V basie-

ren auf der neuesten Generation von SiC-ICs, die

zuverlässige, robuste und dauerstabile Anwen-

dungen ermöglichen.

Bild

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Das Treiber-IC TB67H451FNG verfügt über

Schutzmechanismen wie Unterspannungssperre

und Abschaltung bei Übertemperatur.

SUNON-Lüfter Serie GE/GF • Schutzklasse IP68• Für korrosive Medien adaptierbar• Für raue Einsatzbedingungen• Ab Lager lieferbar

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Bauelement/Module Wide Bandgap

Aufgrund ihrer geringeren Schaltverluste und

ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit können

GaN- und SiC-basierte Schaltkreise den

Wirkungsgrad gerade bei Schaltnetzteilen erheblich

verbessern. Vor allem bei hohen Chiptemperaturen

spielen diese immer noch recht neuen Technologien

gegen Si-Schaltern voll aus. Bei Schaltnetzteilen

kann das neben einem höheren Systemwirkungs-

grad auch eine höhere Leistungsdichte mit sich brin-

gen. Für netzbasierte Anwendungen wie Leistungs-

faktorkorrektur-Stufen (PFC, Power Factor Correc-

tion) und isolierte DC/DC-Spannungswandler haben

sich in den letzten Jahren verschiedene neue Schal-

tungs-Topologien durchgesetzt. Um jedoch beurtei-

len zu können, ob GaN- oder SiC-Lösungen den Si-

Schaltern in diesen Topologien tatsächlich etwas vor-

aushaben, reicht der Blick ins Datenblatt nicht aus.

Strukturelle UnterschiedeZu den unterschiedlichen Eigenschaften der Halb-

leitermaterialien kommen konstruktive Unterschie-

de der Schalter, was zu ganz unterschiedlichen Leis-

Si oder Wide-Bandgap?Wann Silizium in Schaltnetzteilen die bessere Wahl ist

Halbleiterschalter auf Basis von GaN und SiC ermöglichen in der Regel Schaltnetzteile mit höherem Wirkungs-

grad als Silizium-basierende Schalter. Damit diese in Schaltnetzteilen auch zum Tragen kommen, braucht es

jedoch mehr, als nur die Silizium- durch GaN- oder SiC-Schalter zu ersetzen. Manchmal zeigt sich sogar, dass

Silizium die bessere Wahl ist. Autoren: Gerald Zipfel, Francesco Di Domenico

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tungsmerkmalen führt. So haben Si-Leistungs-

MOSFETs und SiC-MOSFETs eine vertikale Struktur,

dadurch fließt der Strom vertikal von der Oberfläche

des Schalters zum Substrat an der Rückseite. GaN-

HEMTs haben hingegen eine laterale Struktur, so

dass der Strom hier horizontal fließt. Source, Gate

und Drain gelangen über separate Metallanschlüs-

se an die Oberfläche (Bild 1). Zudem hat GaN eine

weitgehend undotierte Kristallstruktur mit ganz

geringen Verunreinigungen. Sie ist der Grund für

die hohe Beweglichkeit der Elektronen – und für die

Halbleiter mit großer Bandlücke bieten nicht unbedingt

immer die besten Merkmale – auch wenn es auf dem Pa-

pier zunächst danach aussieht. Weil klassische Si-Schalter

in manchen Konstruktionen den besten Wirkungsgrad

erzielen, werden sie auch weiterhin eine große Rolle spie-

len. Geht es jedoch um eine hohe Leistungsdichte oder

den Betrieb unter rauen Bedingungen oder bei hohen

Temperaturen, kann der Einsatz von GaN- oder SiC-Halb-

leiterschaltern empfehlenswert sein.

Eck-DATEN

Bezeichnung als HEMT (High Electron-Mobility

Transistor). Um ihre jeweiligen Durchlass- (RDS(on)

)-

und Schaltverluste trotzdem vergleichen zu können,

kommen häufig bestimmte Kenngrößen (figures of

merit, FoM) zum Einsatz. Sie zeigen, dass SiC-MOS-

FETs hinsichtlich Drain-Source-Ladung (Qoss

), Spei-

cherladung (Qrr) und Gate-Ladung (Q

g) besser

abschneiden als vergleichbare Si-Leistungs-MOS-

FETs. Geht es um die in der Ausgangskapazität gespei-

cherte Energie (Eoss

), punkten jedoch die Si-Schalter.

Allerdings bieten in dieser Hinsicht GaN-HEMTs

Bild

er: I

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on

Bild 1: Si-Leistungs-

MOSFETs und SiC-

MOSFETs weisen eine

vertikale Trench-

Struktur auf, GaN-

HEMTs eine laterale.

Bild 2: Unterschiedli-

che Gütefaktoren von

600 V/650 V Si-, SiC-

und GaN- Schaltern.




noch größere Vorteile. Um ihr Verhalten in der jewei-

ligen Schaltung wirklich beurteilen zu können, ist

jedoch ein genauerer Blick auf die Gütefaktorn not-

wendig (Bild 2).

Verhalten bei höheren TemperaturenDer Trend bei Schaltnetzteilen geht zu immer höherer

Leistung bei immer geringeren Abmessungen. Das

zieht in der Regel eine höhere Betriebstemperatur nach

sich, die sich wiederum auch auf den Einschaltwider-

stand (RDS(ON)

) auswirkt. Dieser ist bei GaN-HEMTs

weniger temperaturabhängig als bei Si-Schaltern, bei

SiC-Schaltern noch geringer: Nimmt der Entwickler

Schalter mit identischem RDS(ON)

bei 25 °C und erhöht

die Temperatur auf 100 °C, liegt der RDS(ON)

von SiC-

Schaltern um 26 % unter dem von GaN-HEMTs und

um 32 % unter dem von Si-Leistungs-MOSFETs

(Bild 3). Damit kann ein Si-Leistungs-MOSFET mit

einem RDS(ON)

von 70 mΩ bei Betriebstemperatur

schlechtere FoMs haben als ein 100-mΩ-SiC-MOSFET.

Das bedeutet, dass auch der Gesamtwirkungsgrad des

Schaltnetzteils niedriger ausfällt.

Wirkungsgrad im FokusBei Anwendungen, die eine kontinuierliche Strom-

versorgung gewährleisten müssen, stehen die

Betriebskosten im Fokus. Um sie möglichst gering zu

halten, ist der Wirkungsgrad entscheidend. Damit

dieser möglichst hoch ausfällt, gilt es Topologie mit

den besten Halbleitern zu kombinieren. Bei einem

3-kW-Schaltnetzteil mit 48 V, das bei 50 Prozent Last

einen Gesamtwirkungsgrad von 98 Prozent erreichen

soll, muss dieser in der PFC-Stufe bei 99 Prozent lie-

gen. Hierfür kommen in der Regel Totempole-Topo-

logien zum Einsatz, das heißt Voll- oder Halbbrücken

im Continuous Conduction Mode (CCM) oder im

Triangular Current Mode (TCM), als Dual-Boost oder

mit einer H4/H-Brücke. Kommen in einer CCM-

Totempole-Topologie mit Vollbrücke GaN-Schalter

zum Einsatz, erreichen sie einen Wirkungsgrad von

99,3 Prozent.

Dieselbe Topologie mit Halbbrücke und GaN-

Schalter benötigt zwar zwei Schalter weniger, ermög-

licht mit einem Wirkungsgrad von etwa 98,8 Prozent

jedoch kein Schaltnetzteil mit einem Gesamtwir-

kungsgrad von 98 Prozent. Noch geringer ist in der-

selben Topologie der Wirkungsgrad von SiC-Schal-

tern, der höchstens 98,6 Prozent erreicht (Bild 5). Mit

einem Si-Leistungs-MOSFET in TCM-Totempole-

Topologie lässt sich hingegen ein Wirkungsgrad von

über 99 Prozent erzielen. Das heißt, dass Silizium-

Modelle den neuen Technologien trotz besserer Wer-

te in den Datenblättern in manchen Topologien über-

legen sein können. Allerdings ist die TCM-Totempo-

le-PFC-Topologie sehr komplex was die Steuerung

angeht und sorgt deshalb für höhere Systemkosten

Bild 3: Bei einer Temperatur von 25 °C kehren sich die Verhältnisse hinsichtlich des nor-

mierten Einschaltwiderstands bei Si, SiC und GaN um.

Bild 4: In der Totem-Pole-PFC-Topologie lässt sich auch mit herkömmlichen Si-Schaltern

ein Wirkungsgrad von über 99 Prozent erzielen.

Bild 5: Es hängt unter anderem von der Topologie ab, welche Technologie die beste Per-

formance bietet.


www.deutronic.com

Automotive Transportation & Logistics Test Systems

Power and More

Autor Gerald Zipfel

Technischer Support bei Rutronik

Francesco Di Domenico

Leiter Anwendungstechnik bei Infineon Technologies


(Bild 4). Der Wirkungsgrad der Hochvolt-DC/DC-

Stufe muss mindestens 99,1 Prozent bei einer Last

von 50 Prozent erreichen, um für das Schaltnetzteil

die gewünschten 98 Prozent bei gleicher Last zu erzie-

len. Die einfachste Variante wäre hier eine Halbbrü-

cken-LLC-Topologie. Mit ihr lässt sich jedoch kein

Wirkungsgrad von über 97 Prozent bei 50 Prozent

Last für das Schaltnetzteil realisieren.

Zweiphasig oder dreiphasigAnders bei einer dreiphasigen interleaved Halbbrü-

cken-LLC-Topologie, die den 98-Prozent-Spitzenwir-

kungsgrad bei 50 Prozent Last für das Schaltnetzteil

definitiv liefert. Hier bringt der Einsatz von GaN- oder

SiC-Schaltern jedoch keinerlei Vorteile gegenüber Si-

Varianten. Die Umsetzung einer solchen Topologie

ist jedoch nicht trivial, sie erfordert umfassende

Kenntnisse zu magnetischen Bauelementen.

Wer dennoch GaN- oder SiC-Schalter nutzen möch-

te, zum Beispiel wegen deren Gehäuseoptionen, kann

diese auch in zweiphasigen versetzten Voll- oder

Halbbrücken-LLC-Topologien einsetzen. Die versetz-

te Anordnung der Schalter sorgt bei beiden Varianten

dafür, dass sich die Wärme gut in der Applikation

verteilt und keine Hotspots entstehen. Vorteile der

Halbbrücken-Lösung sind die geringere Anzahl erfor-

derlicher Komponenten und ein einfacherer Steue-

rungsansatz. Bei der Vollbrücke lässt sich hingegen

der Rippelstrom besser korrigieren, die Wärmever-

teilung ist noch etwas besser als bei der Halbbrücke.

Steht die Leistungsdichte im Vordergrund, muss

die DC/DC-Hochspannungswandlerstufe mit einer

höheren Schaltfrequenz arbeiten. Damit reduziert

sich jedoch der Wirkungsgrad, und zwar am meisten

bei Si-Schaltern, wenn die LLC-Resonanzfrequenz

auf 300 kHz bezeihungsweise 500 kHz erhöht wird.

Bei SiC-Schaltern sind die Verluste weniger hoch, die

GaN-Technologie bietet sogar bei 500 kHz einen guten

Wirkungsgrad (Bild 6). Wie stark sich die Leistungs-

dichte letztendlich wirklich erhöhen lässt, hängt davon

ab, wo sich Volumen einsparen lässt. Dies gelingt vor

allem durch kleinere Transformatoren und Drosseln,

Elektrolytkondensatoren und Leistungshalbleiter,

sowie durch ein optimiertes Kühlkonzept. Bei einer

Erhöhung der Resonanzfrequenz von 100 kHz auf 300

kHz lassen sich insgesamt maximal 30 Prozent des

Volumens reduzieren. (aok) ■

Bild 6: Mit allen drei

Technologien lässt

sich ein Wirkungsgrad

von über 99 Prozent

erreichen. Dabei spielt

auch die Resonanz-

frequenz eine Rolle.


Bauelemente/Module Stromversorgung

So lässt sich eine effiziente Stromversorgung entwickelnBesonders weiter Eingangsspannungsbereich

Was wäre alles möglich, wenn man eine Stromversorgung entwickeln könnte, die den Eingangs- und Ausgangs-

Anforderungen aller Anwendungen gerecht wird! Die Wirklichkeit sieht jedoch anders aus, denn Stromversor-

gungen müssen aus vielen verschiedenen Gründen stets für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt

werden. Das Referenzdesign von Texas Instruments für eine isolierte Stromversorgung zeigt eine gute Mög-

lichkeit auf, einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich zu erzielen. Autor: Florian Müller

Was wäre alles möglich, wenn man eine Stromversor-

gung entwickeln könnte, die den Eingangs- und

Ausgangsanforderungen aller Anwendungen

gerecht wird. Die Wirklichkeit sieht jedoch anders aus, denn

Stromversorgungen müssen aus verschiedenen Gründen stets

für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt werden.

Ausschlaggebend hierfür sind unter anderem die internen

Beschränkungen der Controller. Techniken wie das Schalten

im Spannungs-Nulldurchgang, variable Schaltfrequenzen oder

Synchrongleichrichtung machen es zwar möglich, die Verluste

in den verschiedenen Teilen der Leistungsstufe zu verringern,

schränken dafür aber auch den Eingangs- und Ausgangsspan-

nungsbereich ein. Viele Anwendungen verlangen jedoch nach

einem großen Eingangsspannungsbereich, was wiederum zu

äußerst geringen beziehungsweise besonders hohen Tastver-

hältnissen führt und die Leistungsfähigkeit einschränken oder

große Verluste verursachen kann.

Schaltfrequenz variiert je nach BedingungenAngenommen, ein 75-W-Sperrwandler für Eingangsspannungen

von 20 bis 375 V wird benötigt. Bei Leistungen bis 100 W ist die

Sperrwandler-Topologie (Flyback) eine gute Wahl, denn sie ist

die kosteneffektivste isolierte Topologie. Vorbei sind außerdem

die Zeiten, in denen Controller mit konstanter Frequenz schal-

teten, denn moderne Controller modulieren die Schaltfrequenz,

um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. In der Regel variiert

die Schaltfrequenz entsprechend den Bedingungen, die am Ein-

gang und Ausgang herrschen. Designer müssen hierbei allerdings

bestimmte Grenzen berücksichtigen, wie etwa die minimale

Einschaltzeit, das maximale Tastverhältnis sowie die minimale

Der folgende Beitrag

beschreibt eine Metho-

de für das Design einer

effizienten Stromver-

sorgung mit extrem

weitem Eingangsspan-

nungsbereich und gibt

darüber hinaus wert-

volle Tipps, wie man zu

einem optimierten De-

sign kommt.

Eck-DATEN



Bild

er: T

exas

Inst

rum

ents

und die maximale Schaltfrequenz. Diese Einschränkungen

machen es für den Controller schwierig, mit einem weiten Ein-

gangsspannungsbereich zurechtzukommen.

Wenn ein extrem weiter Eingangsspannungsbereich beispiels-

weise von 20 bis 375 V gefordert wird, ist deshalb eine andere

Herangehensweise nötig. Eine Möglichkeit ist die in Bild 1 gezeig-

te zweistufige Lösung.

Bei der ersten Stufe handelt es sich um eine Pre-Boost-Schal-

tung, die nur bei Eingangsspannungen unter 130 V aktiv wird.

Sie erzeugt eine Boost-Ausgangsspannung von rund 130 V, sodass

selbst bei Eingangsspannungen bis 20 V herab der Verstärkungs-

faktor kleiner als sieben ist, um einen ordnungsgemäßen Betrieb

zu gewährleisten. Sobald die Eingangsspannung größer als Vboost

ist, wird die Schaltung von der Regelschleife automatisch außer

Betrieb gesetzt, das heißt, der Boost-Controller wird inaktiv. Die

galvanische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Aus-

gang der Boost-Stufe bewirkt dabei, dass die Eingangsspannung

direkt an die zweite Stufe geführt wird.

Die zweite Stufe besteht aus einem modernen Flyback-Cont-

roller (Sperrwandler). Die effizienteste Sperrwandler-Topologie

bedient sich einer aktiven Klemmtechnik, die die Streuenergie

regeneriert und für ein sanftes Schalten oder sogar ein Schalten

im Spannungs-Nulldurchgang sorgt. In Verbindung mit einem

sekundärseitigen Gleichrichter sind Wirkungsgrade bis zu 84 %

möglich.

Zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad das Produkt aus der

ersten Stufe (Pre-Boost) und der zweiten Stufe (Sperrwandler)

ist. Bei Eingangsspannungen oberhalb von 130 V wird allerdings

wie erwähnt die Pre-Boost-Stufe deaktiviert, sodass nur die

zweite Stufe über die Effizienz entscheidet. Folglich ist über einen

weiten Eingangsspannungsbereich ein Wirkungsgrad von deut-

lich mehr als 90 % möglich.

Ein Referenzdesign als BeispielDas Referenzdesign „High efficiency, ultra-wide input (20 to 375

VDC

) isolated power supply reference design“ von Texas Instru-

ments (TI) deckt einen Eingangsspannungsbereich von 20 bis

375 V ab und liefert eine Ausgangsspannung von 24 V bei einem

maximalen Ausgangsstrom von 3,5 A. Bild 2 gibt den Wirkungs-

grad als Funktion der Eingangsspannung wieder.

Wie aus dem Diagramm abzulesen ist, liegt der Wirkungsgrad

bei Eingangsspannungen zwischen 25 und 375 V über 90 %, und

Bild 1: Schema ei-

ner zweistufigen

Stromversorgung

Bild

: Tex

as In

stru

men

ts



die maximale Effizienz beträgt 94 %. Wie ist das möglich? Das

Referenzdesign folgt dem gleichen Konzept wie die Schaltung

aus Bild 1. Im Prinzip gliedert sich das Design in drei Abschnit-

te: eine Pre-Boost-Stufe, eine ACF-Stufe (Active Clamp Flyback)

und eine Startup-Schaltung. Während die Pre-Boost-Stufe den

Current-Mode Controller UCC28C42 von TI enthält, kommt in

der ACF-Stufe der Flyback Controller UCC28780 von TI zum

Einsatz.

Tipps für das Design einer Startup-SchaltungWenn Sie mit dem Schaltplanentwurf beginnen, sollten Sie der

Startup-Schaltung einige Gedanken widmen, da diese eine Her-

ausforderung für das Erreichen eines weiten Eingangsspannungs-

bereichs darstellt. Schließlich müssen die VDD

-Kondensatoren

der Pre-Boost- und der Active-Clamp-Stufe aufgeladen werden,

damit die Schaltung anlaufen kann. Bekanntermaßen führt eine

resistive Startup-Methode besonders in Anwendungen mit hohen

Eingangsspannungen zu höheren Verlusten. Sehr häufig befin-

den sich Stromversorgungen im Standby-Modus, weshalb oftmals

eine aktive Startup-Schaltung benötigt wird, um die Standby-

Verluste zu senken. In einer solchen Schaltung kann ein selbst-

leitender Baustein wie etwa ein Verarmungs-MOSFET zum Ein-

satz kommen. Bild 3 zeigt eine vereinfachte Startup-Schaltung.

Der Verarmungs-MOSFET Q1 lädt den VDD

-Kondensator auf,

solange der Controller noch nicht arbeitet. Sobald die Spannung

VDD

die Ansprechschwelle der Unterspannungssperre überschrit-

ten hat, beginnt der Controller zu arbeiten. Die Hilfswicklung

versorgt den Controller über die Diode D2 und Q1 kann abge-

schaltet werden (über die Hilfswicklung, D1 und Q2). Im Schalt-

bild des Referenzdesigns für eine isolierte Stromversorgung ist

diese auf einem Verarmungs-MOSFET basierende Startup-Schal-

tung etwas detaillierter wiedergegeben. Die Hilfswicklung des

ACF-Flyback-Übertragers wird für mehrere Aufgaben genutzt,

nämlich zum Abschalten des Verarmungs-MOSFET sowie zur

Versorgung der Boost-Stufe und des ACF-Controllers.

Tipps für das Design einer Pre-Boost-SchaltungDie Pre-Boost-Schaltung ist für den nichtlückenden Betrieb vor-

gesehen. Während des Abschaltens der Diode würde der hohe

Sperrverzögerungsstrom einer Siliziumdiode zu hohen Verlusten

führen. Empfohlen wird deshalb die Verwendung eines schnell

schaltenden MOSFET und einer Siliziumkarbid-Schottkydiode

(SiC). Dies senkt die Verluste drastisch, insbesondere weil bei

einer SiC-Diode nahezu kein Sperrverzögerungsstrom fließt.

Mithilfe einer Bypass-Diode lassen sich übrigens hohe Stoßströ-

me in der SiC-Diode (Dboost

) vermeiden.

Wie bereits erwähnt, ist die Ausgangsspannung auf 130 V

geregelt. Die Rückkoppelschleife unterbricht also den Betrieb des

Bild 2: Wirkungsgrad als

Funktion der Eingangs-

spannung

Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild einer aktiven Startup-Schaltung Bild 4: Vereinfachtes Design einer Boost-Schaltung



Boost-Reglers, wenn die Eingangsspannung größer als 130 V ist.

Dennoch müssen aber alle Bauteile für die maximale Eingangs-

spannung von 375 V (zuzüglich einer Sicherheitsmarge) ausgelegt

werden und die maximale Stromstärke verkraften.

Mit einem als Freeware von Texas Instruments verfügbaren

Tool (Power Stage Designer) lassen sich die Spannungen und

Ströme aller gängigen Topologien darstellen. So können auf

einfache Weise diejenigen Bauelemente ausgewählt werden, die

die maximalen Spitzen- und Effektivwerte der Spannungen und

Ströme aushalten.

Tipps für das Design einer ACF-SchaltungBei der zweiten Stufe handelt es sich um eine ACF-Schaltung.

Ein normaler, im lückenden Betrieb arbeitender Sperrwandler

mit passiver Klemmung dissipiert die Streuenergie des Übertra-

gers in einer passiven Snubber-Schaltung. In einer ACF-Schaltung

dagegen wird diese Energie zurückgewonnen und das Schalten

erfolgt über einen weiten Bereich von Betriebszuständen hinweg

im Spannungs-Nulldurchgang. Ein vereinfachtes Schaltbild hier-

zu ist in Bild 5 zu sehen. Die ACF-Schaltung arbeitet im Über-

gangsmodus und moduliert den primärseitigen Scheitelstrom

und die Schaltfrequenz. Q_HS hilft beim Zurückgewinnen und

Speichern der Streuenergie in einem Snubber-Kondensator. Dar-

über hinaus nutzt die ACF-Schaltung den Magnetisierungsstrom

des Übertragers zum Entladen der Schaltknoten-Kapazität (Csw

)

und zum Reduzieren der Spannung am Schaltknoten auf 0 V,

bevor Q_LS einschaltet. Dies ermöglicht ein Schalten im Span-

nungs-Nulldurchgang und vermeidet die Schaltverluste.

Damit das gesamte System korrekt funktioniert, muss beson-

deres Augenmerk auf den Übertrager gerichtet werden. Unter

anderem bestimmen die primärseitige Induktivität und das Win-

dungsverhältnis darüber, in welcher Betriebsart die Schaltung

über den gesamten Lastbereich hinweg arbeitet. Es wird deshalb

empfohlen, sich an die im Datenblatt angegebenen Regeln zu

halten und die minimale Einschaltzeit, den Schaltfrequenzbereich

und den maximalen primärseitigen Scheitelstrom des Übertragers

sorgfältig zu spezifizieren. Mit Power Stage Designer gestaltet

sich das Spezifizieren des Übertragers zudem deutlich einfacher.

Schließlich wird auch zur Anwendung einer besonderen

Wickeltechnik geraten, da eine einwandfreie Kopplung der Wick-

lungen erforderlich ist. Zum Beispiel sollte die Primärwicklung

geteilt werden, um die Sekundär- und Bias-Lagen zwischen

beiden Hälften einzubetten. Zur weiteren Steigerung des Wir-

kungsgrads sollte außerdem die Möglichkeit in Betracht gezogen

werden, die Ausgangsdiode durch einen Synchrongleichrichter

zu ersetzen. Der ACF-Controller UCC28780 funktioniert mit

einem Synchrongleichrichter wie dem UCC24612 mit Drain-

Source-Sensing (VDS). Das VDS-Sensing nutzt den Spannungs-

abfall am RDS(on)

des MOSFET und die Body-Diode zum Ein- und

Ausschalten des Synchrongleichrichter-MOSFET. Der Synchron-

gleichrichter kann wahlweise auf der positiven oder negativen

Seite der Ausgangswicklung platziert werden. Befindet er sich

im positiven Pfad, sind die elektromagnetischen Gleichtakt-

Interferenzen geringer, jedoch scheidet in diesem Fall eine Ver-

sorgung des Controllers durch die Ausgangsspannung aus. Hier

ist stattdessen eine zusätzliche Wicklung oder eine Widerstands-

Kondensator-Dioden-Schaltung erforderlich, um den Synchron-

gleichrichter-Controller zu versorgen.

ZusammenfassungDas Referenzdesign von Texas Instruments für eine isolierte

Stromversorgung zeigt eine gute Möglichkeit auf, einen sehr

weiten Eingangsspannungsbereich zu erzielen. Mit einem Kon-

zept wie der zweistufigen Stromversorgung lässt sich ein Wir-

kungsgrad von über 90 % im Verbund mit einer hohen Leistungs-

fähigkeit erreichen. Unter den Power-Referenzdesigns von Texas

Instruments finden sich Lösungen für zahlreiche Anwendungs-

fälle. Machen Sie bei Ihren Entwicklungsprojekten Gebrauch

davon. Häufig werden Sie ein Design mit ähnlichen Spezifika-

tionen vorfinden, das eine gute Ausgangsbasis darstellt und Ihren

Designprozess beschleunigen kann. (neu) ■

Autor Florian Müller

Systems Applications Engineer, Power Design Services

bei Texas Instruments


Bild 5: Vereinfachtes Schalt-

bild einer ACF-Schaltung

Bild

er: T

exas

Inst

rum

ents


Elektromechanik Highlights


Harwin hat seine Produktfamilie Gecko-

SL (Screw-Lok) um horizontale Steckver-

binder erweitert. Die Spezifizierung des

Durchgangssteckverbinders im 90°-Winkel

zur Leiterplatte bietet zusätzliche Layout-

Flexibilität, um das Platzangebot auf der

Leiterplatte zu maximieren. Die horizon-

talen Steckverbinder können jetzt an einer

Kante der Leiterplatte angebracht werden,

wobei ein gestecktes Kabel seitlich außer-

halb des Leiterplattenstapels geführt wird.

Viele Designs umfassen eine Reihe von

PCBs in einem dichten Stapel, und sämtli-

che Kabel werden in den Raum außerhalb

des Stapels geführt. Die horizontalen

Steckverbinder können auch mit PCB-Ste-

ckerbuchsen verwendet werden, um auf

diese Weise eine Kombination von Mutter-

und Tochterplatine zu erhalten. Das ist

besonders für den Ersatz modularer PCBs

oder größerer Gerätesysteme von Vorteil.

Harwins Gecko-SL-Steckverbinder im

Horizontalformat sind mit Edelstahl-

Schraubensicherungen ausgestattet, die

benutzerfreundlich als „Mate-Before-

Lock“ ausgelegt sind – die Steckverbinder

brauchen lediglich vor dem Einrasten der

Schrauben vollständig ineinandergesteckt

zu werden. Die Ingenieure können ent-

Beim Industriesteckverbinder Han DDD

von Harting hat sich im Vergleich zum

bisherigen Standard die Anzahl der Kon-

takte mehr als verdoppelt – bei gleichblei-

benden Maßen und elektrischen Eigen-

schaften. Der „Triple D“ kann mit maximal

107 Kontakten Signale oder Leistung über-

tragen. Die elektrische Leistung gleicht

der des Schwesterprodukts Han DD

(maximal 250 V / 10 A). Um die Handha-

bung zu erleichtern, bietet Harting ergän-

zende Zubehörteile wie Griffbleche und

starke Vibrationsfestigkeit (20 g bei 2 kHz

über sechs Stunden) und Schockbelast-

barkeit (bis zu 100 g) auf, als auch eine

sehr geringe Ausgasung, wodurch sowohl

die NASA- als auch die ESA-Spezifikati-

onen erfüllt werden. Der Nennstrom ist

auf maximal 2,8 A bei einem Einzelkontakt

eingestellt, und auf 2 A pro Kontakt, wenn

alle unter Last stehen. (neu) ■

den. Platzsparende Anwendungen sind in

allen Industriebereichen möglich, in denen

elektrische Leistungen und Signalüber-

tragung eine Rolle spielen. (neu) ■

PLATZE INSPARUNG BEI STECKVERBINDERN DER 1,25-MM-RASTER-FAMIL IE

Rechtwinklige Anschlüsse

KONTAKTE VERDOPPELT BE I GLE ICHBLE IBENDEN MASSEN

Sichere Signalübertragung braucht wenig Platz



Die Steckverbinder der Produktfamilie Gecko-SL wurden um horizontale Varianten erweitert.

Mit den Han-DDD-Steckverbindern lässt sich der

Bauraum in Schaltschränken optimieren.

Bild

: Har

win

Bild

: Har

ting

weder die Standard-Schraubverriegelung

mit Platinenmontage (mit der eingreifen-

den Schraube an der Buchse) oder die

umgekehrte Befestigung (mit der Schrau-

be am Stecker) wählen. Die Anzahl der

Pins entspricht der der übrigen Gecko-SL-

Familie, 6 bis 50 Kontakte.

Diese horizontalen Komponenten sind

sehr robust. Der Gecko-SL ist durch einen

Betriebstemperaturbereich von -65 bis

+150 °C gekennzeichnet, weist sowohl eine

Führungsstifte/-buchsen. Erreicht wurde

die höhere Kontaktdichte durch Aufbau-

ten, die die Kriechstrecken zwischen den

Kontakten verlängern. Der verbesserte PE-

Anschluss gibt zudem mehr Isolierkörper-

fläche für zusätzliche Kontaktkammern

frei. Die versetzte Anordnung der Kam-

mern reduziert ferner den Abstand zwi-

schen den Kontaktreihen.

Im Ergebnis kann mit den Han-DDD-

Steckverbindern der Bauraum in konven-

tionellen Schaltschränken optimiert wer-


Elektromechanik Highlights

Um den steigenden Wunsch nach schnellen Aufladungszeiten

von stromintensiven Anwendungen und der zugleich hohen

Anforderungen in der Miniaturisierung gerecht zu werden, bietet

N&H Technology jetzt 13 Standardvarianten an Hochstrom-

Federkontakten. Neben der bisherigen kundenspezifischen Ent-

wicklung, die mit hohen Stückzahlen und Entwicklungskosten

einhergeht, ist nun mit den 13 Standardvarianten von N&H Tech-

nology auch die Abnahme von kleineren Stückzahlen möglich.

Bei den Standardvarianten sind Nennströme von 5 bis 12 A mög-

lich, die Länge der Federkontakte liegt in einem Bereich zwischen

5,40 und 19,66 mm.

Die Federkontakte werden im 4P-Design realisiert. Dabei wer-

den die drei Komponenten eines Federkontaktstiftes (Kolben,

Druckfeder und Hülse) um eine Kappe als vierte Komponente

ergänzt. Dadurch wird ein Verglühen der Druckfeder durch zu

geringe Lateralkräfte bei hohen Strömen ausgeschlossen. Die

Lebensdauer liegt im Schnitt bei über 10.000 Kontaktzyklen. Alle

Federkontakte können für die automatisierte Leiterplattenbestü-

ckung mit einer Bestückungskappe geliefert werden.

Anwendung finden diese Miniatur-Hochstromkontakte unter

anderem bei E-Bikes und Smart-Home-Lautsprechern. (neu) ■

13 STANDARDVARIANTEN

Hochstromkontakte


Nvent Schroff arbeitet an der Realisierung

eines Standard-PXIe-Chassis für PCIe

Gen 4 und plant dieses 2020 auf den Markt

zu bringen.Bisher liefert Nvent Schroff sei-

ne Produkte noch mit PCIe Gen 3 und

einer Bandbreite von 8 GBit/s pro Diffe-

renzialpaar. Diese Übertragungsraten sind

am Markt inzwischen gut etabliert und

werden von den aktuell eingesetzten Pro-

zessoren unterstützt. Mit der Freigabe der

entsprechenden Spezifikation durch die

PCISIG im letzten Jahr inklusive aller

wichtigen Nutzer-Informationen und

Design-Vorgaben sind nun die Vorausset-

zungen für Neuentwicklungen gegeben.

PCIe Gen 4 bedeutet eine Verdopplung

der Übertragungsrate auf 16 GBit/s pro

Differenzialpaar und damit auch eine Ver-

dopplung der Nettodatenrate pro Lane von

1 auf 2 GByte/s. Außerdem wird durch die

neue Spezifikation unter anderem die Sys-

gesamte Übertragungsstrecke mit Leiter-

platten- und Kontaktmaterial, Leitungs-

bahnen, Steckverbinder etc. neu konzi-

piert. Ein wichtiger Punkt wird auch der

einzusetzende Switch sein. Interessant ist

PCIe Gen 4 speziell für Applikationen mit

extrem hohen Datenmengen. Diese ver-

wenden dann die 2-Link-Systemslot-Kon-

figuration mit einem x8- und einem x16-

fach Link. Hierfür wird ein Switch mit

hoher Portanzahl benötigt. Nvent Schroff

geht derzeit von 96 Ports aus, sodass eine

2-Link-Konfiguration beim PXIe-Chassis

unterstützt werden kann. (neu) ■

VERDOPPLUNG DER DATENÜBERTRAGUNGSRATE

PXIe-Chassis für PCIe Gen 4


Standard-PXIe-Chassis für PCIe Gen 4.

Bild

: Nve

nt S

chro

ff

temlatenz reduziert und die Skalierbarkeit

f ü r z u sät z l ic he La nes u nd d ie

I/O-Virtualisierung und Plattform-Integ-

ration verbessert. Die Spezifikation für

PCIe Gen 4 gewährleistet auch die voll-

ständige Abwärtskompatibilität, sodass

Geräte, die für frühere Spezifikationen

entwickelt wurden, auch mit der neuen

Technologie weiterhin korrekt funktionie-

ren. Erste Hardware-Komponenten, die

die Vorgaben der PCIe Gen 4 erfüllen, gibt

es bereits.

Das Entwicklerteam von Nvent Schroff

befasst sich zurzeit mit der Auswahl geeig-

neter Chips und den Design-Richtlinien

für die Backplane. Simulationen und

Modellierungen, um zu klären, wie eine

PXIe Backplane für PCIe Gen 4 aussehen

muss, laufen bereits. Damit die Signalqua-

lität für diese höhere Geschwindigkeit

gewährleistet werden kann, wird auch die

Incircuit-Funktionstestsysteme,Adaptionen, Kabeltester

Testsysteme für elektronische Flachbaugruppen, Module und Geräte für die QualitätssicherungIncircuit- und Funktionstest, Boundary Scan, Mehrfachnutzentest, Paralleltest (auch Flashen), Displaytest, EOLpraxisnahe und anwenderfreundliche Testpro-grammerstellung, hohe Prüfschärfe und Prüftiefebreitestes Spektrum an Produkten für das auto-matische Testen aus eigener EntwicklungStand-alone und Inline-Einsatz

manuelle und pneumatische AdaptionenNiederhaltersysteme für bis zu 1000 gefederte Kontaktstifteaustauschbare Adapterplatten (Nadelbett)langlebig und geringe Folgekosten

MCT192 Kabel- und Backplanetester mit 192 MesskanälenTeststecker für viele gängige Kabeloptionales LochrasterfeldPrüfprogrammerstellung mit Autolern von einem

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Mess- und Prüftechnik EMV

Alpine OberschwingungsmessungEMV-Messungen müssen auch unter rauen Bedingungen durchgeführt werden

TDK Electronics agiert nicht nur als Hersteller von EMV-Filtern, sondern bietet auch Dienstleistungen in

diesem Bereich. Selbst unter extremen Bedingungen führt das Unternehmen entwicklungsbegleitende

Messungen durch. Autor: Michael Vornkahl

Technoalpin aus dem italienischen Bozen ent-

wickelt und fertig Schneekanonen. Dabei

handelt es sich um äußerst komplexe Maschi-

nen, die in extremen Umgebungen und über einen

langen Zeitraum arbeiten müssen. Zudem verfügen

sie über eine aufwändige Steuerung und deren

Antriebe für Pumpen und Gebläse über Umrichter

geregelt werden. Technoalpin beauftragte die Ent-

wicklungsabteilung für EMV-Filter von TDK Elect-

ronics für die Schneekanonen des Typs TR08 einen

kombinierten EMV- und Oberschwingungsfilter zu

entwickeln und zu fertigen (Bild 1). Die anschlie-

ßende Messung des kompletten Systems im Stand-

Alone-Betrieb an einem Referenznetz im TDK-eige-

nen EMV-Labor ergab einen THD-Wert (Total Har-

monic Distortion) des Stroms von rund 5 Prozent.

EMV-Messung in 2000 Meter HöheUm den Funktionsnachweis der Schneekanonen

unter Realbedingungen zu erbringen, war es erfor-

derlich, eine EMV-Messung am Einsatzort im Ski-

Gebiet Pfelders auf 2000 Metern Höhe durchzufüh-

ren. Folglich musste das gesamte Mess-Equipment

– teils sogar per Ski – in diese Höhe transportiert

werden. Ziel der Messungen war eine Prüfung nach

EN6100-3-12, die die Grenzwerte für Oberschwin-

gungen des Stroms festlegt.

Oberschwingungsmessungen (OSM) im Feld sind

nicht mit normativen Abnahmemessungen im Labor

zu vergleichen. Die normgerechte Messung führt das

Projektteam an synthetischen Stromversorgungs-

netzen durch, was im Feld nicht möglich ist, da hier

andere Versorger und Lasten mit am gleichen Ein-

Bild

er: T

DK El

ectro

nics


Mess- und Prüftechnik EMV

speisestrang hängen. Daher muss das Team von TDK

vor der Messung mit dem zu prüfenden Objekt, in

einer separaten Messung die Qualität des vorhan-

denen Netzes beurteilen. Im konkreten Fallbeispiel

war das Netz mit den Antrieben der Lifte beauf-

schlagt, die über einen thyristorgesteuerten Sanft-

Anlauf-Starter betrieben werden und einen typi-

schen Kommutierungseinbruch bei einem 60°-Pha-

senwinkel erzeugen. Allein in dieser Betriebsart lag

der ermittelte THD (Total Harmonic Distortion) des

Stroms bereits bei 7,3 Prozent. Die zur Messung ver-

wendete PQ-Box (Power Quality) erkennt die Netz-

qualität und wertet dieses bei erkennbar schlechtem

Netz nicht normativ aus. Somit war eine Diagnose

durch die PQ-Box nur eingeschränkt möglich.

In den Messungen mit den eingeschalteten

Schneekanonen ging es schließlich um die Erfassung

der Differenz der Oberschwingungsanteile bei unter-

schiedlichen Betriebsbedingungen. Außerdem muss-

te das Projektteam prüfen, ob bestimmte Betriebs-

zustände die Oberschwin-

gungsfilter der Schneekanonen

in Resonanz versetzen. Im Ski-

gebiet unter allen geprüften

Betriebsbedingungen und unter

Teil- und Volllast wurde ein

Wert von 8,1 Prozent THD nicht

überschritten; die Streuung der

unterschiedlichen Betriebszu-

stände lag bei 0,5 Prozent (Bild

2). Damit konnte das Team einen stabilen Betrieb

nachweisen und belegen, dass der maßgebliche

THD-Anteil nicht von den Schneekanonen stammt.

Eine normative Auswertung ließ sich unter den

gegebenen Umständen zwar nicht durchführen,

aber auf Basis der Messergebnisse konnte eine Ein-

schätzung in Anlehnung an die Norm EN 61000-

3 -12 gegeben werden. Maßgeblich zur Auswahl der

einzelnen Oberschwingungsstromanteile (I5, I7,

I11, I13) ist die Festlegung des Rsce

, dem Kurzschluss-

leistungsverhältnis. Dieses wurde mit einem Wert

von 150 festgelegt. Sowohl alle daraus resultieren-

den Grenzwerte wurden eingehalten als auch die

dazugehörigen zulässigen Kennwerte des Ober-

schwingungsstroms. Fazit: Die TDK EMV-Filter

erfüllen die Anforderungen des im Feld geprüften

Systems. (prm) ■

AutorMichael Vornkahl

Director Development EMC Filter bei TDK Electronics


Zur Verifikation der Werte muss die

Messung vor Ort unter realen

Bedingungen erfolgen

Bild 2: Screenshot der

Spannungs- und

Stromverläufe bei al-

len zugeschalteten

Verbrauchern unter

Volllast. Dabei wurde

ein maximaler THD-

Wert des Stroms von

8,1 Prozent nicht

überschritten.

Bild 1: Kombinierte EPCOS EMV- und Oberschwingungsfilter

für die Schneekanonen des Typs TR08 von Technoalpin.


Leistungselektronik hilft unter anderem, Ladungsspeicher

wie Batterien effektiv und schnell aufzuladen, kontrolliert

deren Zustand, wie zum Beispiel Temperatur oder Rest-

ladung, und regelt die Abgabe von Leistung an die jeweiligen

Verbraucher. Auch Netzteile oder Umrichter lassen sich für eine

breite Palette von Anwendungen mit Leistungshalbleitern kom-

pakt und mit hohem Wirkungsgrad konstruieren.

Standen der Leistungselektronik früher im Wesentlichen nur

die Familie der Thyristoren zur Verfügung, so hat sich das Ange-

bot in den letzten Jahren durch Leistungs-MOSFETs und IGBTs

erweitert. Der erhöhte Einsatz neuer Technologien und Materi-

alien (Wide Bandgap, zum Beispiel Siliziumkarbid) führt hier zu

konstanten Innovationen und Leistungssteigerungen. Um die

Vorteile neuer Leistungshalbleiter optimal ausnutzen zu können,

ist es wichtig, deren individuelle elektrische Parameter im Detail

zu kennen. Dies erfordert, Bauteile in unterschiedlichsten Bau-

formen und Packages exakt zu messen.

Bauformen und FassungenDie übliche und auch am einfachsten zu handhabende Bauform

sind verpackte Bauelemente mit Lötfahnen für die sogenannte

Through-Hole-Montage. Die Bauteile (zum Beispiel Transistoren

im TO220-Package) sind vergleichsweise groß. Es sind auch Zero-

Insertion-Force-Testfassungen verfügbar, um lötfrei zu kontak-

tieren. Sollen diese Bauteile aber zusätzlich noch über die Tem-

peratur charakterisierbar sein, braucht es Fassungen, die eine

hohe Stabilität aufweisen. Hier kommt eigentlich nur Keramik

in Frage. Auch sind die Bauteile aufgrund der auftretenden Tem-

peraturausdehnung mit Schrauben oder aufwändigen Klemm-

mechanismen zu fixieren. Das zur Konstruktion erforderliche

Material und der Arbeitsaufwand bei sehr kleinen Stückzahlen

machen solche Fassungen teurer als Standardware.

Eine Alternative, die auch gerne für SMD-Bauteile mit kleiner

Baugröße und ohne Anschlussdrähte zum Einsatz kommt, ist,

die Bauteile auf ein Tochterboard fest aufzulöten. Dieses Board

lässt sich bei Bedarf auch aus bedingt temperaturstabilem Mate-

rial fertigen, sodass in eingeschränktem Maß Charakterisierun-

gen über der Temperatur möglich sind. Der Tester ist entweder

direkt über Kabel oder über eine Zwischenfassung mit einem

universellen Kammstecker verbunden. Solche Lösungen sind bei

Anwendern wegen ihrer vermeintlich universellen Einfachheit

beliebt. Es bleibt aber zu beachten, dass das Tochterboard und

der Adapter mit dem Kammstecker die anwendbaren Ströme

und Spannungen limitieren können. Deshalb ist es nötig, die so

ins Spiel gebrachten parasitären Größen (Kapazitäten, Leckströ-

me etc.) im Auge zu behalten.

Am anderen Ende der Palette der verfügbaren Bauelemente

stehen die Leistungsmodule. Zum Anschluss der leistungstra-

genden Kontakte kommen hier oft solide Schraubanschlüsse vor.

Herausfordernd beim Test dieser Gruppe von Bauelementen ist

ihre Größe. Meist sind herkömmliche Testfassungen nicht mehr

in der Lage, Bauteile dieser Größe aufzunehmen. Eine offene

Alles ein Frage der VerbindungLeistungshalbleiter zum Test richtig kontaktieren

In heutigen Anwendungen kommt immer mehr Leistungselektronik zum Einsatz. Doch wie lassen sich Leis-

tungshalbleiter effektiv zum Testen mit einem Messgerät verbinden? Der Beitrag zeigt einerseits Wege zum

Verbinden von verpackten Bauelementen in verschiedenen Gehäusetypen sowie andererseits auch die nötige

Technik für die On-Wafer-Charakterisierung. Autor: Norbert Bauer

Mess- und Prüftechnik Bauelemente-Test

Bild 1: Beispiel einer High

Current Probe für das Messen

besonders hoher Ströme.


Verkabelung der Bauteile auf einem Labortisch verbietet sich,

durch die zur Charakterisierung erforderlichen lebensgefährlichen

Spannungen, von selbst.

High-Voltage-Hauben und ChuckEine elegante Lösung stellen hier sogenannte High-Voltage-

Hauben dar. Diese bieten einen ausreichend großen Arbeitsraum,

der sich bei Bedarf mit einer Haube sicher abschließen lässt und

während des Hochspannungstests den Prüfraum verriegelt. Um

Verluste zu vermeiden, sind die Anschlüsse des Testers möglichst

weit in den Prüfraum integriert. So gelingt es oft, eine mobile

Einheit zu schaffen, indem der Prüfer das Messgerät mit der

Haube auf ein Fahrgestell montiert (Bild 2). Haben die bislang

angesprochenen Prüflinge noch ausgeprägte elektrische Kon-

taktflächen zum Löten, Stecken oder Schrauben, so sind bei ver-

einzelten Chips oder ganzen Wafern keine regulären Kontakte

mehr vorhanden. Interessant sind diese nackten Bauteile aber

trotzdem, weil der Prüfer hier den reinen Halbleiter messen kann,

ohne vielleicht störende Einflüsse von Bonddrähten, Leadframes

und Packages. Auch lassen sich Chips beziehungsweise Wafer

wesentlich eleganter und einfacher temperieren und der Einfluss

auf das elektrische Verhalten messen.

Wafer-Prober für LeistungshalbleiterZum Testen von Halbleitern auf Wafern, Teilwafern oder verein-

zelten Chips kommen hier sogenannte (Wafer-)Prober zum Ein-

satz. Grundsätzlich sind diese Geräte bekannt, jedoch muss ein

Prober zum Testen von Leistungshalbleitern ganz speziell aus-

gerüstet sein. Die Aufnahme für den Wafer – genannt Chuck –

muss grundsätzlich triaxial ausgeführt sein. Hier ist die im Kon-

takt mit dem Wafer befindliche Oberfläche (Top Layer) mit einer

isolierten zweiten Schicht versehen, dem sogenannten Guard

Layer. Dieser Guard Layer wird bei Bedarf vom Messgerät auf

das gleiche elektrische Potential gelegt wir der Top Layer und

verhindert so Leckströme und verringert die kapazitive Last. Als

dritte Lage kommt noch ein Ground hinzu.

Der Chuck muss zudem für die geforderten Testspannungen

und –ströme geeignet sein. Hier sind Spannungen von 3 kV Stan-

dard und 10 kV im Kommen, ebenso wie Ströme von mindestens

100 A (gepulst) und mehr. Da Übergangswiderstände bei On-

Wafer-Tests eines der größten Probleme sind, sollten die Verant-

wortlichen das Oberflächenmaterial und die Gestaltung der

Chuckoberfläche sorgfältig auswählen. Wenn irgend möglich,

kommt Gold als Oberfläche zum Einsatz. Wafer sind mit Vakuum

auf der Chuckoberfläche fixiert. Die Gestaltung der Vakuumka-

näle ist jedoch wichtig – soll doch das Vakuum einerseits für

beste elektrische Kontakte homogen und stark wirken, anderer-

seits aber die empfindlichen, gedünnten Wafer nicht zerbrechen.

Es stehen verschiedene Thermochucks mit unterschiedlichen

Temperaturbereichen zur Verfügung. In Verbindung mit einer

„Local Enclosure“ sind hier sogar Charakterisierungen weit unter-

halb der Raumtemperatur ohne Betauung oder Vereisung möglich.

Probes als HerausforderungAuch die Probes („Nadeln“) stellen eine Herausforderung dar.

Bei hohen Strömen teilt sich die Last auf eine Anzahl von Nadeln

AutorNorbert Bauer

Applikations- und Vertriebsingenieur bei

bsw TestSystems & Consulting


Mess- und Prüftechnik Bauelemente-Test

Bild 2: Eine solche High-Voltage-Haube kommt zum Beispiel beim Testen

von IGBT-Modulen zum Einsatz.

auf, was jedoch platzintensiv ist. Auch gilt es, diese komplexen

und teuren Probes auszurichten, auch planarisieren genannt.

Das wiederum macht aufwendigere, mechanische Nadelhalter

(Manipulatoren) notwendig. Neuerdings gibt es für Ströme über

100 A (gepulst) „Blunt Needles“ – einzelne Nadeln mit großem

Durchmesser und großer Verrundung (Bild 1).

Für hohe Spannungen stehen speziell isolierte Nadelhalter zur

Verfügung. Hauptproblem beim Hochspannungstest sind unge-

wollte Überschläge, da den unverpackten Chips die Isolation der

Vergussmasse fehlt. Hier hilft es, den Wafer in eine Wanne mit

zum Beispiel Flourinert zu geben.Gerade bei Messungen mit

hohen Spannungen, sind auch hohe Sicherheitsanforderungen

an die Anlage zu stellen. Heutige Waferprober sind flexibel

bedienbar und gleichzeitig sicher, indem sie spezielle Lichtschran-

ken einsetzen. Der Prober bleibt gut zugänglich, aber die Licht-

schranke unterbricht die gefährlichen Spannungen, sollte ein

Eingriff in das System erfolgen. Um bei Tests mit hohen Span-

nungen auch die Restladungen aus dem Chuck (der als Konden-

sator wirkt) zu bekommen, sind spezielle Entladespannungen

im Einsatz. (aok) ■

Bild

er: L

X In

stru

men

ts


Impressum/Verzeichnisse


ASYS 11

Bürklin 5

CTX 3

Deutronic 39

Digi-Key Titelseite, 2.US

EA Elektro-Automatik 21

Emtron Titelseite

Finepower 33

Inpotron 13

MKU 3. US

Positronic 19

Reel 15, 17

Reinhardt 45

Rutronik 25

Schukat electronic 29, 35

Texas 4.US

TRACO 23

Würth 31

Bauer, Norbert 48

Bauer, Sven 6

Bernard, Kiran 32

Brayford, Andy 6

Bulut, Yalcin 6

Domenico, Francesco Di 36

Ködel, Ralf 24

Lüke, Tobias 20

Moore, Ken 24

Müller, Florian 40

Rodio, Giovanni 8

Russel, Arthur 28

Schedlock, Alexander 12

Vornkahl, Michael 46

Young, Gerard 16

Zipfel, Gerald 36

BMZ-Gruppe 6

bsw TestSystems & Consulting 48

Cypress 6

Digi-Key 6

Ennomotive 11

Fortec 8

Harting 44

Harwin 6, 44

IBM 3

Infineon 6, 24, 36

Jianghai 12

LX Instruments 48

Microchip 35

Mornsun 23

N&H Technology 45

Nvent Schroff 45

Parker Hannifin 16

Phoenix Contact Power Supplies 20

Powell Electronics 6

Renesas 32

Rutronik 36

ST Microelectronics 19

TDK Electronics 46

Texas Instruments 40

Toshiba 35

United SiC 6

Vicor 28

X-FAB Silicon Foundries 6

Fortec 8

Harting 46

Harwin 46

Infineon 24, 36

Jianghai 12

Microchip 35

Mornsun 23

N&H Technology 45

Nvent Schroff 45

Parker Hannifin 16

Phoenix Contact Power Supplies 20

Renesas 32

Rutronik 36

ST Microelectronics 19

TDK Electronics 46

Texas Instruments 40

Toshiba 35

Vicor 28

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www.elektronikjournal.com www.all-electronics.de ISSN: 0013-5674 55. Jahrgang 2020

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Erscheinungsweise: 10 × jährlich

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