Von Phil Davies, Corporate Vice President, Global Sales and Marketing

Die überwiegende Anzahl elektromechanischer oder halbleiterbasierten Lasten benötigen eine geregelte C-Versorgung, um zuverlässig zu funktionieren. Die DC-DC-Wandler, die diese Funktion ausführen, werden häufig als Point-of-Load (PoL) Regulatoren bezeichnet und sind so konzipiert, dass sie einen maximalen und minimalen Eingangsspannungsbereich definieren, in dem sie stabil arbeiten können. Das Stromversorgungsnetzwerk (PDN) für diese Regulatoren kann je nach Anzahl und Art der Lasten, der Gesamtsystemarchitektur, der Lastleistungen, der Spannungsebenen (Umwandlungsstufen) sowie der Anforderungen an Isolation und Regelung variieren.

Viele Stromsystem-Designer betrachten geregelte DC-DC-Wandler als unverzichtbar für das Gesamtdesign ihrer Systeme. Allerdings ist eine PDN-Regulierung nicht immer erforderlich, um die richtige Spannungsebene für die PoL-Regulatoren bereitzustellen oder für eine Zwischenspannung auf einer Verteilungsschiene unbedingt notwendig. Vor diesem Hintergrund sollten Stromsystem-Ingenieure in Betracht ziehen, Festwert-DC-DC-Wandler zu implementieren, die erhebliche Vorteile für die Gesamtleistung des PDN bieten können.

Die Leistung des PDN wird üblicherweise anhand von Leistungsverlusten, Transientenverhalten, physischer Größe, Gewicht und Kosten gemessen. Eine große Herausforderung bei der Gestaltung, die sich auf die Leistung des PDN auswirkt, ist die Anzahl der Spannungsumwandlungen und die präzise Regelung zwischen den Schaltungselementen. Ingenieure investieren viel Zeit in die Optimierung der Spannungsumwandlung im Großleistungsnetz, die dynamische Regelung und die Verteilungseigenschaften, um eine hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

If die Systemlast im Bereich von mehreren Kilowatt liegt, kann durch das Entwerfen des Großleistungsnetzwerks (PDN) für eine hohe Spannung der Strom reduziert werden, den das System verteilen muss (P = V × I). Folglich können die Größe, das Gewicht und die Kosten des PDN (Kabel, Sammelschienen, Kupferleistungsebenen auf der Hauptplatine) reduziert werden (P_LOSS = I^²R). Daher streben die Designer danach, so viel Schaltkreise wie möglich bei Hochspannung und geringem Strom zu betreiben und nur in der Nähe der Last in Niederspannung und Hochstrom umzuwandeln.

Um jedoch ein Hochspannungs- und Hochleistungs-PDN in die Nähe der Last zu bringen, ist ein Gleichspannungswandler mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte erforderlich. Wenn die Schaltung eine große Spannungsabsenkung erfordert, beispielsweise von 800 oder 400V auf 48V, wären die Wandler, die diese Aufgabe erledigen können und die höchste Effizienz aufweisen, Festwertumrichter. Diese Wandler bieten keine Regelung und geben nur wenig Leistung ab. Ihr hoher Wirkungsgrad-Figure-of-Merit ermöglicht eine höhere Leistungsdichte und erleichtert das thermische Management.

Was ist ein Übersetzungsverhältnis?

Ein Übersetzungsverhältnis funktioniert ähnlich wie ein Transformator, jedoch führt er anstelle einer AC-AC-Umwandlung eine DC-DC-Umwandlung durch, wobei die Ausgangsspannung einen festen Bruchteil der Eingangsgleichspannung darstellt. Wie ein Transformator bietet der Umrichter keine Ausgangsspannungsregulierung, und die Eingang-zu-Ausgang-Spannungstransformation wird durch das "Wicklungsverhältnis" des Geräts definiert. Dieses Wicklungsverhältnis, auch als K-Faktor bezeichnet, wird als Bruchteil im Verhältnis zu seiner Spannungsabsenkungsfähigkeit ausgedrückt. K-Faktoren können von K = 1 bis hinunter zu K = 1/72 reichen und werden entsprechend der Architektur des Stromversorgungsnetzwerks (PDN) und den Spezifikationen des Point-of-Load (PoL)-Reglers ausgewählt. Typische PDN-Spannungen werden als Niederspannung (LV), Hochspannung (HV) und Ultra-Hochspannung (UHV) kategorisiert.

Übersetzungsverhältnisse können isoliert oder nicht isoliert sein und sind auch in der Lage, einen bidirektionalen Leistungsfluss mit umgekehrter Spannungsumwandlung zu ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Festwertumrichter mit einem K-Faktor von K = 1/16 und bidirektionaler Fähigkeit als Aufwärtswandler (Boost-Konverter) mit einem K von 16/1 betrieben werden.

Zusätzliche Gestaltungsfreiheit umfasst das einfache Parallelschalten zur Erfüllung höherer Leistungsanforderungen und die Möglichkeit, die Ausgänge der Wandler in Serie zu schalten, um die Ausgangsspannungen zu erhöhen, indem der K-Faktor effektiv verändert wird.

Die Stromversorgungsnetze unterliegen aufgrund der steigenden Leistungsanforderungen in vielen Endmärkten und Anwendungen erheblichen Veränderungen. Elektrofahrzeuge (EVs), Mildhybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeuge verwenden höhere PDN-Spannungen wie 48V. Die 48-V-Stufe entspricht dem SELV (Safety Electrical Low Voltage) Standard, der von vielen Systemen gefordert wird, und die einfachen Leistungsgleichungen P = V×I und P_LOSS = I²R erklären, warum höhere Spannungs-PDNs effizienter sind.

Für eine gegebene Leistungsebene ist der Strom bei 48V viermal niedriger als in einem 12V-System und weist 16-mal geringere Verluste auf. Bei einem Viertel des Stroms können die Kabel und Steckverbinder kleiner, leichter und kostengünstiger sein. Die in Hybridfahrzeugen verwendete 48V-Batterie hat die vierfache Leistung einer 12V-Quelle, und die zusätzliche Leistung kann in Anwendungen des Antriebsstrangs genutzt werden, um CO₂-Emissionen zu reduzieren, den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und neue Sicherheits- und Unterhaltungsfunktionen zu bewältigen.

Die Integration von künstlicher Intelligenz (KI) in Rechenzentren hat die Leistungsabgabe von Gestellen auf über 20 kW erhöht, wodurch die Verwendung eines 12V-PDN sperrig und weniger effizient wird. Die Verwendung eines 48V-PDN bringt hier dieselben Vorteile wie bei Hybridfahrzeugen. In Automobil- und Rechenzentrenanwendungen besteht die Präferenz darin, die Legacy-Lasten von 12V und PoL-Standard-Spannungsregler zu erhalten, um den Änderungsaufwand zu minimieren.

Da 48V SELV-konform ist, ist ein nicht isolierter Festübersetzungs-Wandler eine gute Wahl für die 48-zu-12V-DC-DC-Umwandlungsstufe, da heutige PoL-12V-Regler die Schwankungen der Eingangsspannung bewältigen können. Ein nicht isolierter, ungeregelter Festübersetzungs-Wandler ist der effizienteste Hochleistungs-Buswandler.

Er verringert die Leistungsabgabe, erhöht die Leistungsdichte und senkt die Kosten. Seine hohe Dichte ermöglicht neue dezentrale verteilte Leistungsarchitekturen in Hybridfahrzeugen, in denen nicht isolierte Festübersetzungs-Wandler in der Nähe der Lasten platziert werden können, was eine kleinere und effizientere Verkabelung des 48V-PDN im gesamten Fahrzeug ermöglicht. In Server-Blades kann ein kleiner, nicht isolierter 48-zu-12V-Festübersetzungs-Wandler auf der Hauptplatine in der Nähe der Abwärtswandler (Buck-Regler) platziert werden.

Viele neue KI-Beschleunigerkarten, wie das SXM von Nvidia und die OAM-Karten von Mitgliedern des Open Compute Project (OCP), sind mit einer 48-V-Eingangsspannung konzipiert, da die KI-Prozessoren 500 - 750W verbrauchen. Cloud-Computing- und Server-Unternehmen, die immer noch 12-V-PDN-Rückplatten in ihren Gestellen verwenden, benötigen eine 12-zu-48V-Umwandlung, um diese Hochleistungskarten einzusetzen. Die Ausstattung dieser Beschleunigerkarten mit einem bidirektionalen nicht isolierten Festübersetzungs-Wandler mit K = 1/4 als 12-zu-48V-Boost-Wandler (K = 4/1) - oder innerhalb eines verteilten Hochleistungs-12-zu-48V-Moduls - ermöglicht es älteren Gestellsystemen, KI-Fähigkeiten zu integrieren.

Hochspannungsanwendungen, die Isolation erfordern

Die Welt ist jetzt mit 4G-Funk- und Antennentürmen ausgestattet, die mit neuen 5G-Systemen aufgerüstet werden müssen, die 5-mal so viel Leistung wie 4G-Ausrüstung verbrauchen. Das 4G-PDN beträgt 48V und wird über ein Kabel aus einem bodengestützten Stromversorgungssystem geliefert. Der erhebliche Anstieg des Stromverbrauchs durch 5G-Ausrüstung würde die Verwendung eines großdurchmessigen und schweren Stromkabels erfordern, wenn das PDN bei 48V bleiben würde. Daher prüfen Telekommunikationsunternehmen derzeit die Verwendung eines 380-V-Gleichstrom-PDN, um die Kabelgröße erheblich zu reduzieren. Die Verwendung eines bidirektionalen Festübersetzungs-Wandlers mit K = 1/8 im Boost-Modus ermöglicht es dem bodengestützten 48-V-Stromversorgungssystem, 380V (K: 8/1) an die Spitze des Turms zu liefern. Ein 380-zu-48V geregelte Wandler an der Spitze des Turms ermöglicht es sowohl 5G- als auch 4G-Systemen, eine geregelte 48-V-Stromversorgung zu erhalten und eine kostengünstigere Stromversorgung über ein kleines 380-V-Stromkabel zu realisieren.

Angebundene Drohnen sind eine weitere Hochspannungsanwendung, die Isolation erfordert. Stromkabel für angebundene Drohnen können über 400 Meter lang sein, und die Drohne muss das Gewicht dieses Kabels beim Fliegen tragen. Die Verwendung einer hohen Spannung wie 800V hilft, die Größe und das Gewicht der Verbindungskabel zu reduzieren. Ein kompakter festübersetzter Bordwandler, normalerweise mit K = 1/16, kann die Leistung auf 48V für die bordeigene Elektronik und Video-Nutzlasten umwandeln.

In Elektrofahrzeugen (EVs) machen hohe Leistungsanforderungen 400V zu einer gängigen Wahl für die Batteriespannung. Die 400V werden dann auf 48V umgewandelt und an verschiedene Lasten rund um den Antriebsstrang und das Fahrwerk verteilt. Für das Schnellladen wird die 400-V-Batterie von einer Ladestation mit einer geregelten 800-V-Gleichstromausgangsspannung über einen 800-zu-400V-Wandler aufgeladen.

In sowohl den 400/48-V- als auch den 800/400-V-Anwendungen kann ein paralleles Array von isolierten Festübersetzungs-Wandlern mit K: 1/8 (400/48) und K: 1/2 (800/400) mit hoher Leistungsdichte und Wirkungsgrad über 98% effektiv arbeiten. Die Regelung erfolgt entweder vor oder nach der Festübersetzungs-Wandler-Stufe. Die Leistungsdichte und Effizienzgewinne durch das Fehlen einer Regelung vereinfachen auch das thermische Management.

Exascale High Performance Computing (HPC)-Systeme verwenden 380V_DC als Haupt-PDN, da die Leistungsebenen in den Gestellen in der Regel über 100 kW liegen. In diesen Anwendungen sind isolierte Festübersetzungs-Wandler mit K: 1/8 und K: 1/16 auf den Server-Blades integriert oder auf mezzanine Karten verteilt, die durch das Gestell verlaufen, um entweder 48V oder 12V an die Hauptplatinen zu liefern. Die Regelung erfolgt dann über ein 12-V-Mehrphasen-Buck-Wandler-Array oder fortschrittliche, höhereffiziente 48-V-zu-PoL-Architekturen. Die Dichte und Effizienz des Festübersetzungs-Wandlers spielen erneut eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung dieser Art von PDN-Architektur zur Bereitstellung hoher Leistung.

Fortgeschrittene Systeme in den Bereichen Unternehmens- und Hochleistungsrechnen, Kommunikations- und Netzwerkinfrastruktur, autonome Fahrzeuge und zahlreiche Transportanwendungen sind nur einige der stark wachsenden Branchen, die nach mehr Leistung verlangen. Diese Anwendungen haben eine gemeinsame Grundlage: Jede von ihnen hat extrem hohe Leistungsanforderungen und profitiert von einem kleinen, leistungsstarken Gleichspannungswandler, der Platz und Gewicht spart. Stromsystem-Ingenieure sollten Festübersetzungs-Wandler als eine wichtige und flexible Möglichkeit in Betracht ziehen, leistungsstarke PDNs zu ermöglichen, die einen Wettbewerbsvorteil in der Gesamtsystemleistung bieten.

Herr Davies ist seit Februar 2011 als unser Corporate Vice President für Globales Vertrieb und Marketing tätig. Vor seinem Eintritt in unser Unternehmen war Herr Davies von September 2010 bis Februar 2011 bei der Geschäftseinheit Solid State Light Engine von OSRAM Sylvania als Leiter des Business Creation Teams beschäftigt. Zuvor hatte Herr Davies verschiedene Positionen bei Analog Devices, Inc. inne, einem Hersteller von Hochleistungs-Analog-, Mixed-Signal- und digitalen Signalverarbeitungs-Integrierten Schaltkreisen, zuletzt als Direktor für weltweite Geschäftsentwicklung. Herr Davies erwarb einen B.S.E.E. und einen Master-Abschluss in Leistungselektronik von der University of Glamorgan.

Phil Davies, Corporate Vice President, Global Sales and Marketing