Ein paar Faustregeln helfen dabei, die Feinheiten und Fallstricke zu bewältigen, die beim Entwerfen von Stromversorgungssystemen mit Leistungsmodulen üblich sind.
Die Industrie legt großen Wert auf die Minimierung und Eliminierung von Verschwendung, wo immer dies möglich ist, daher obliegt es dem Systemdesigner, die gesamte Energiearchitektur zu optimieren. Jedes elektronische Gerät verfügt über ein Stromnetz, das normalerweise mindestens aus Kabeln, Sammelschienen, Steckverbindern, Kupfer-Stromversorgungsebenen auf der Platine, AC/DC- und DC/DC-Wandlern und -Reglern besteht. All dieses Netzwerk beeinflusst die Leistung des Designs aufgrund von Leitungs-, Last- und Umgebungsvariationen.
Leistungsarchitekturen wurden in der Vergangenheit in späteren Phasen der Produktentwicklung definiert, wenn Platz und Optionen bereits begrenzt waren. Ein proaktiverer Ansatz, der das Architekturdesign zu einem früheren Zeitpunkt im Prozess verschiebt, ermöglicht die Erstellung von Systemen, die robuster sind und in der Lage sind, Änderungen der Designspezifikationen während der Entwicklung zu handhaben.
Leistungsdesigner konzentrieren sich häufig auf Umwandlungsstufen, um eine maximale Umwandlungseffizienz zu erreichen und Leistungsverluste zu minimieren. Haupttreiber hierfür war das Thermomanagement, da Umwandlungsstufen tendenziell am meisten zur Erhöhung der thermischen Belastung beitragen. Eine hohe Verlustleistung erfordert komplexere und umfangreichere Kühlmethoden, die Kosten und Größe erhöhen, insbesondere für Anwendungen in rauen Umgebungen.
Die Verlustleistung ist die Differenz zwischen Eingangsleistung und Ausgangsleistung. Die Verlustleistung des Umrichters wird bestimmt, indem die Nennleistung des Umrichters durch seinen dezimal äquivalenten Wirkungsgrad dividiert wird: Ein Umrichter mit einer Nennleistung von 100 W und einem Wirkungsgrad von 80 % hat eine Eingangsleistung von 125 W und eine Verlustleistung von 25 W. Es ist wichtig, jedes Element des Systems auf diese Weise zu betrachten, um die Gesamtverluste des Systems zu bestimmen. Schon durch eine geringfügige Steigerung der Effizienz können Verluste erheblich reduziert werden. Eine Steigerung des Wirkungsgrads um 10 Punkte (in diesem Beispiel bis zu 90 %) klingt beispielsweise nicht nach viel, reduziert aber die Verlustleistung um mehr als die Hälfte: 11,1 W statt 25 W.
Welche Folgen hat diese Effizienzsteigerung für das Stromnetz? Zusätzlich zur Reduzierung der thermischen Auswirkungen eines Wandlers verringert er auch die Anforderungen an die Eingangsquelle, da sie weniger Leistung liefern muss. Die geringere verwendete Leistung bedeutet auch, dass bei einer gegebenen Eingangsspannung auch der Quellenstrom geringer ist. Nach dem Ohmschen Gesetz kann Leistung als Produkt aus Spannung und Strom und als Produkt aus Widerstand mal Stromquadrat angesehen werden (P = VI = I2EIN). Bei der Analyse von Stromnetzen wird der Widerstandsbegriff oft übersehen. Alle Verbindungen zwischen der Quelle und der Last haben einen festen Widerstand und alle erzeugen Leistungsverluste im System. Es gibt auch Sicherheits- und Stabilitätskomponenten, die die Gesamtleistungsverluste erhöhen und berücksichtigt werden müssen: Sicherungen, Leistungsschalter und Filter, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren und die Spannung zu glätten. In jedem dieser Elemente gibt es einen Spannungsabfall, der die Stabilität der Schaltregler verschlechtern und andere Probleme innerhalb des Systems erzeugen kann.
Endverbrauchergeräte, die vom Netz versorgt werden und durch große Leistungsschwankungen gekennzeichnet sind, wie z. B. eine CPU, eine gepulste Last oder ein Motor, verursachen eine erhebliche Spannungsschwankung am Ein- und Ausgang des Umrichters. Als Faustregel gilt, dass die vom Wandler gesehene Quellenimpedanz zehnmal geringer sein sollte als die niedrigste vom Wandler gelieferte Impedanz.
Um auf den Wirkungsgrad von 90 % im Beispiel des 100-W-Wandlers zurückzukommen, nehmen wir an, dass der Betriebseingangsbereich dieses Geräts 18–36 V beträgt. Bei einem 18-V-Eingang zieht der Wandler etwa 6,2 A. Die Impedanz Die Eingangsspannung des Wandlers (R) ist daher V/I oder 18/6,2 = 2,9 Ω. Bei 36 V ist der Eingangsstrom halbiert, also beträgt die Impedanz 11,7 Ω. Für die niedrigste Eingangsimpedanz des Wandlers gilt als Faustregel, dass die Quellenimpedanz für einen stabilen Betrieb 0,29 Ω nicht überschreiten sollte.
Ein 12-V-Niederspannungsnetz, das fünf unabhängige Lasten versorgt. In diesem Beispiel sind die Lasten Niederspannung (< 5 VDC) und ein höherer Strom fließt zwischen ihnen und den Wandlern (dargestellt mit einer dicken Linie).
Ein Aspekt, der hervorgehoben werden sollte, ist die Bedeutung der Systemstabilität beim Entwurf eines Energiesystems. Diese vereinfachte Widerstandsanalyse berücksichtigt keine reaktiven Elemente, d. h. Kapazität und Induktivität, sowohl real als auch scheinbar, die Resonanzen und andere Probleme verursachen können, wenn sie nicht gut verstanden werden. Diese Aspekte sind nicht Gegenstand dieses Artikels.
Was kann getan werden, um das Stromnetz in Bezug auf Systemverluste zu optimieren?
Ob es darum geht, ein bestehendes Design zu analysieren oder eine neue Architektur von Grund auf neu zu erstellen, die Methode ist dieselbe.
Ein verbessertes Stromnetz mit einer von 12 auf 48 VDC erhöhten Quellenspannung. Die fünf unabhängigen Lasten benötigen denselben Strom wie die im ersten Beispiel gezeigten. Dank der höheren Quellenspannung fließt weniger Strom zwischen Batterie und Wandlerstufe (angedeutet durch die dünne Linie).
Verwenden Sie zuallererst, und obwohl es offensichtlich erscheinen mag, die effizientesten Konverter, die Ihnen zur Verfügung stehen. Stellen Sie sich das Stromnetz in zwei Teilen vor: die Ausgänge von der/den tatsächlichen Anwendungslast(en) zur ersten Umwandlungsstufe, einschließlich aller Umwandlungszwischenstufen, und die Eingabe zwischen der Quelle und der ersten Umwandlungsstufe.
Die Anwendungslast benötigt eine vorbestimmte Mindestspannung. Der Strombedarf moderner elektronischer Systeme kann hoch sein, in einigen Fällen über 1000 A für Pegel unter 1 V. Um Verluste in diesen Anwendungen zu minimieren, werden Point-of-Load (PoL)-Wandler in der Nähe der Last platziert, die den Strom verbraucht.
PoL vermeidet die langen Kabelwege zwischen dem Wechselrichter und der Last, die herkömmliche Netzteile charakterisieren, und liefert eine präzise Spannung, die den Niederspannungs- und Hochstrombedarf abdeckt. Die PoL-Stufe sollte so nahe wie möglich an der Last liegen, die sie versorgt, um den Verbindungswiderstand zu minimieren.
Weiter zum Eingang: Die Eingangsspannung PoL sollte so hoch wie möglich sein. Stellen wir uns ein 12-V-Niederspannungsnetz für fünf unabhängige Lasten vor. In diesem Beispiel sind die Lasten Niederspannung
(< 5 VDC) und der Strom zwischen ihnen und den Wandlern höher ist.
Ein solches Setup könnte einen alten Computer, ein Fahrzeugstromversorgungssystem oder eine Drohnennutzlast mit Strom versorgen. Es gibt einen festen Widerstand von der Leiterbahn zum Eingang der PoLs, der für jeden Betriebsleistungspegel eine bestimmte Verlustleistung erfährt. Wenn wir die Spannung bei gleicher Leistung mit vier multiplizieren können (dh bis zu 48 V), ist der durch diesen Zweig fließende Strom ein Buchstabenteil des vorherigen Pegels. Durch den quadrierten Stromanteil in der Leistungsgleichung ist die neue Verlustleistung deutlich geringer und auch die Spannungsdrift ist geringer.
Darüber hinaus ist 48 V eine gute Versorgungsspannung, da sie auch innerhalb der von der IEC für ihr geringes Stromschlagrisiko definierten Grenzwerte für hohe Sicherheitskleinspannung (SELV) liegt. In einer bestehenden Anwendung erfordert das Erhöhen der Spannung unterschiedliche PoLs. In diesem Fall erleichtert eine modulare Technik, die ein Gerät mit der gleichen Größe wie das Gehäuse verwendet, die Konvertierung, da die Konverter an derselben Stelle platziert werden.
Oben sehen Sie einen Vergleich zwischen Strom, Spannungsabfall und Leistungsverlust für verschiedene Quellenspannungen an jedem Leiter des Kabels für ein Luftfahrzeug, das 500 W benötigt. Unten sehen Sie die netzwerkgebundene Drohnen-optimierte Stromversorgung zwischen Bodenstrom und Fahrzeug . Die verwendeten 800 V minimieren kritische Übertragungsverluste und Spannungsschwankungen, die durch den UAV-Betrieb verursacht werden. Da der Strom deutlich niedriger ist als bei niedrigeren Versorgungsspannungen, hat die Einführung von 800 V den Vorteil hinzugefügt, dass die Auswirkungen von Wind und Gewicht möglicherweise reduziert werden, indem Leiter mit kleinerem Durchmesser verwendet werden können. Betrachten Sie das extremste Beispiel eines angebundenen UAV oder einer Drohne und insbesondere die Auswirkungen zwischen der Quelle und der ersten Umwandlungsstufe. Der Draht stellt die Verbindung zum Bodenstrom dar.
Angenommen, das Kabel ist etwa 30 m lang und enthält 24 AWG-Leiter mit jeweils einem Widerstand von etwa 2,5 Ω
30m. Bei einer 48-V-Verteilung beträgt der Strom in diesem Kabel etwa 10 A; der Widerstand beträgt 5 Ω für die 30 m, also beträgt die Verlustleistung im Kabel 500 W (!) Es ist klar, dass dieses Fahrzeug nicht fliegen kann, da das Kabel die gesamte Leistung abführt und dem Fahrzeug nichts überlässt .
Betrachten wir nun den Rückgriff auf eine höhere Eingangsspannung. Angenommen, das System hat 400 V mit denselben Bedingungen, die zuvor angegeben wurden.
Bei einer 400-V-Verteilung sinkt der Strom im Kabel auf etwa 1,25 A und das Kabel verbraucht nur noch etwa 8 W. Durch die Verdoppelung der Eingangsspannung auf 800 V sinkt der Strom im Kabel auf etwa 0,6 A, wodurch die Verlustleistung im Kabel reduziert wird auf etwa 2 W. Der geringere entnommene Strom ermöglicht die Verwendung von Leitern mit kleinerem Durchmesser in dem Kabel, was wiederum Luftwiderstand und Luftwiderstand und möglicherweise auch die von dem unbemannten Luftfahrzeug benötigte Leistung verringert.
Die Verlustleistung ist wichtig, aber auch die Regulierung am Ende des Kabels. Fahrzeugregler haben einen definierten Eingangsspannungsbereich. Über dem Widerstand des Drahtes fällt eine Spannung ab: Bei einem 24 m langen 30-AWG-Draht und einem Gesamtwiderstand von 5 Ω ergibt sich ein Spannungsabfall von 5 V pro Ampere Strom. Das Verringern des Spannungsabfalls über dem Kabel verringert auch den Spannungsabfall relativ zur angelegten Spannung, wodurch die Regulierung verbessert wird. Wenn die Spannung verdoppelt und der Strom halbiert wird, halbiert sich der Spannungsabfall über dem Kabel und der Spannungsabfall zur Last wird durch vier geteilt.
Es scheint selbstverständlich, dass der Wechsel zu einer 800-V-Erdungsquelle der Weg ist, um die Stromübertragung über das Kabel zu optimieren. Aber das UAV muss diese 800 V herunterschalten, um die Spannungen zu senken, um seine Motoren und Elektronik mit Strom zu versorgen. Für diesen Teil des Stromnetzes sind die 48 V der Bordelektronik aus den oben beschriebenen Gründen die beste Option.
Die Netzoptimierung lässt sich in sechs Schritten zusammenfassen:
- Denken Sie zuerst an die Macht. Sobald Sie Ihre anfänglichen Leistungsanforderungen kennen, schaffen Sie Platz für ein modulares Leistungsdesign. Die modulare Technik ist flexibel und anpassungsfähig.
• Achten Sie auf jeden stromführenden Gegenstand.
• Verwenden Sie die höchstmöglichen Spannungen, um den benötigten Strom zu verringern.
• Verwenden Sie Konvertierungsgegenstände so effizient wie möglich, um Konvertierungsverluste zu reduzieren.
• Verwenden Sie die Geräte mit der höchsten Leistungsdichte, um sie in der Nähe der Verbraucher zu platzieren.
• Minimieren Sie den Verbindungswiderstand so weit wie möglich, um Spannungsabfall und Leistungsverlust zu reduzieren.
