das themen-magazin für entwickler€¦ · scheinbare low-tech-komponente bietet auch künftig...
Post on 27-Jun-2020
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1 elektronik journal 03 / 2020
www.all-electronics.de
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
martin.probst@huethig.de
Si oder Wide Band-gap? Wann Silizium in SMPS die bessere
Lösung istRutronik/Infineon
36
www.ctx.eu info@ctx.eu
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
www.all-electronics.de
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
www.buerklin.com
1,8+ Mio. Artikel von 500+ renommierten Herstellern
Unsere Leistungen:
75.000+ Artikel ab Lager München
500.000+ Artikel kurzfristig lieferbar ab Lager
Lieferversprechen: Bis 18:00 Uhr bestellt, morgen geliefert
Online-Shop: buerklin.com
Starke Linecards mit bekannten und zuverlässigen Marken
eProcurement-Lösungen (OCI, API, elektronische Kataloge, EDI)
Große Innen- und Außendienstteams in Deutschland
Repräsentative Vertriebsmitarbeiter in Frankreich, Italien,
Skandinavien, Großbritannien, Irland, Osteuropa, dem Nahen
Osten und Brasilien
6 elektronik journal 03 / 2020
Märkte + Technologien Meldungen
www.all-electronics.de
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.
infoDIREKT 801ae0320
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.
infoDIREKT 399ae0320
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.
infoDIREKT 160ae0320
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
8 elektronik journal 03/2020
Strom, Energiespeicher Coverstory
www.all-electronics.de
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
Strom, Energiespeicher Coverstory
www.all-electronics.de
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
10 elektronik journal 03 / 2020
Strom, Energiespeicher Coverstory
www.all-electronics.de
(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
infoDIREKT 910ejl0320
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
Bild
: asa
dyko
v - st
ock.
adob
e.co
m
Strom, Energiespeicher Kondensatoren
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
hai
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.
Professional Power
www.inpotron.com
Patientenüberwachung
Schaltnetzteile für medizinische Anwendungen
Customized Solutions · Quality made in Germany
14 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
Strom, Energiespeicher Kondensatoren
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.
www.all-electronics.de
Strom, Energiespeicher Kondensatoren
Mit Ihren Wünschen
und unserer
30-Jährigen Erfahrung, erzielen wir für
Sie optimale Ergebnisse!
Trägerbänder
Abdeckbänder
Leerspulen
Abschirmbeutel
Anzeigekarten
Trockenmittel
Trockenbeutel
Pizza Boxen
Reel Company GmbH
Am Reiterzentrum 4
91522 Ansbach
Telefon: +49 (0) 981 6921
www.reelcompany.com
info@reelcompany.com
Fordern Sie uns heraus!
Autor Alexander Schedlock
Technical Sales Manager bei Jianghai
infoDIREKT 475ejl0320
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).
16 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
sim K
abak
ou @
Ado
beSt
ock
www.all-electronics.de
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
Fordern Sie uns heraus!
Mit Ihren Wünschen
und unserer
30-Jährigen Erfahrung, erzielen wir für
Sie optimale Ergebnisse!
DIE-Gurtung
SMD-Gurtung
Radial-Gurtung
Axial-Gurtung
Bauteiltrocknung
Bauteilvorbereitung
Programmierung
Reel Company GmbH
Am Reiterzentrum 4
91522 Ansbach
Telefon: +49 (0) 981 6921
www.reelcompany.com
info@reelcompany.com
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
18 elektronik journal 03/2020
Strom, Energiespeicher EMV-Ab-
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 912ejl0320
Strom, Energiespeicher EMV-Abschirmung
Bild
er: P
arke
r Cho
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
infoDIREKT 925ejl0320
POSITRONIC. THE SCIENCE OF CERTAINTY. // www.connectpositronic.com
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
20 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
Power Quality, Energiemanagement DC/DC-Wandler
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
22 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
Power Quality, Energiemanagement DC/DC-Wandler
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
infoDIREKT 600ejl0320
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.
elektronik journal 03 / 2020 23www.all-electronics.de
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
LE ISTUNGEN VON 75 BIS 320 W
Stromversorgungen mit aktiver PFC
Reliable. Available. Now. www.tracopower.com
Stromversorgungen für die Industrie
DC/DC from 1–300 WattAC/DC from 2–1000 Watt
Grosse Auswahl an Befestigungsvarianten und Formfaktoren
IEC/EN/UL 62368-1 Zulassung
EMV Immunität gemäss IEC 61000-6-2
Ergänzendes Portfolio für raue und schwierige Umgebungen z. B. ATEX
3 Jahre Produktgewährleistung
Für weitere Informationen, Datenblätter und Zertifi kate besuchen Sie unsere Website www.tracopower.com
SENSORIK
TBA1
RAUE UMGEBUNG
TIB80-EX
MOBILITÄT
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
infoDIREKT 926ejl0320
24 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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.
www.all-electronics.de
Hightech-Bauelemente
für Ihre InnovationenAls einer der führenden Distributoren für elektronische Bauele-
mente bieten wir Ihnen weltweit ein breites Produktportfolio,
kompetente technische Unterstützung bei Produktentwicklung
und Design-In, individuelle Logistik-Lösungen sowie umfangreiche
Serviceleistungen.
Semiconductors Boards & Systems
Passive Components Storage Technologies
Electromechanical Wireless Technologies
Components
Displays & Monitors
Informationen zu RUTRONIK: +49 (0) 7231 801- 0
Committed to excellence
ElectronicsWorldwide
www.rutronik.com
B2B-Shop: www.rutronik24.com
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.
26 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
Power Quality, Energiemanagement Wireless Charging
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
infoDIREKT 900ejl0320
• „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
Power Quality, Energiemanagement Wireless Charging
28 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
ave
- sto
ck.a
dobe
.com
www.all-electronics.de
Bauelemente/Module DC/DC-Wandler
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.
MEAN WELL Power Supplies Serie HEP • Lüfterlos und leise• Leistung 100 bis 1.000Watt• IP 65 (optional IP 68)• Vibrationsfest bis zu 10G• Einsatzhöhe bis 5000m• 6 Jahre Herstellergarantie Distribution by Schukat electronic• Über 250 Hersteller• 97% ab Lager lieferbar• Top-Preise von Muster bis Serie• Persönlicher Kundenservice
Onlineshop mit stündlich aktuali-sierten Preisen und Lagerbeständen
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
30 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
Bauelemente/Module DC/DC-Wandler
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.
Bauelemente/Module DC/DC-Wandler
PCIM Europe Halle 7 Stand 229
© e
iCan
/ ei
Sos
USB Type-CTM.24 reasons toconnect with us.
USB Type-CTM
Würth Elektronik bietet das komplette Produktprogramm an Steckverbindern, EMV Filter,
Komponenten für ESD-Überspannungsschutz sowie AC/DC-zu-DC/DC-Leistungswandlung
für USB 3.1. Die speziell entwickelten Produkte sind im Würth Elektronik USB Type-CTM
EMV-Dongle enthalten, um die EMV- und Surge-Konformität Ihrer Anwendung einfach und
schnell zu überprüfen. Unsere Produkte werden in den USB Type-CTM Referenzdesigns
führender IC-Hersteller empfohlen.
Weitere Informationen unter: www.we-online.de/typecApp Note ANP007 – Effektive USB 3.1 Filterung und Schutz: www.we-online.de/anp007
USB-lizensierter und TID-gelisteter Type-CTM Steckverbinder WR-COM
60 W und 100 W Vbus-Filter
Hocheffiziente verpresste Leistungsinduktivitäten WE-MAPI für Vbus-Filter
Niedrige parasitäre Kapazitäten mit WE-TVS
Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit geringem Rauschen mit WE-CNSW HF
Pulsstabile SMD Ferrite WE-MPSB für Hot-Plugin
#USBTYPEC
Autor Arthur Russell
Principal Applications Engineer bei Vicor
infoDIREKT 911ejl0320
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.
32 elektronik journal 03/2020
Bauelemente/Module GaN-FETs
www.all-electronics.de
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
: ©im
mim
ager
y - st
ock.
adob
e.co
m
elektronik journal 03/2020 33
Bauelemente/Module GaN-FETs
www.all-electronics.de
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
34 elektronik journal 03/2020
Bauelemente/Module GaN-FETs
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 804ejl0320
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
www.all-electronics.de
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) ■
infoDIREKT 802ejl0320
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) ■
infoDIREKT 803ejl0320
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
: Micr
ochi
pBi
ld: T
oshi
ba
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
Mehr Infos: 0 21 73 - 950 780
Distribution by Schukat electronic• Über 250 Hersteller• 97% ab Lager lieferbar• Top-Preise von Muster bis Serie• Persönlicher Kundenservice
Onlineshop mit stündlich aktuali-sierten Preisen und Lagerbeständen
Total dichtIP 68
36 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
Bild
: mee
nkul
athi
amm
a - s
tock
.ado
be.co
m
elektronik journal 03/2020 37www.all-electronics.de
Bauelement/Module Wide Bandgap
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
nfine
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.
38 elektronik journal 03/2020
Bauelement/Module Wide Bandgap
www.all-electronics.de
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.
Bauelement/Module Wide Bandgap
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
infoDIREKT 480ejl0320
(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.
40 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
elektronik journal 03/2020 41www.all-electronics.de
Bauelemente/Module Stromversorgung
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
42 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
Bauelemente/Module Stromversorgung
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
elektronik journal 03 / 2020 43www.all-electronics.de
Bauelemente/Module Stromversorgung
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
infoDIREKT 602ejl0320
Bild 5: Vereinfachtes Schalt-
bild einer ACF-Schaltung
Bild
er: T
exas
Inst
rum
ents
44 elektronik journal 03/2020
Elektromechanik Highlights
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 674ae0320
infoDIREKT 668ae0220
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-
elektronik journal 03/2020 45www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 624ae0320
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
infoDIREKT 673ae0420
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
REINHARDTSystem- und Messelectronic GmbH
Bergstr. 33 D-86911 Diessen Tel. 08196 934100 Fax 08196 7005E-Mail: info@reinhardt-testsystem.de http://www.reinhardt-testsystem.de
46 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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
elektronik journal 03/2020 47www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 914ejl0320
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.
48 elektronik journal 03/2020www.all-electronics.de
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.
elektronik journal 03/2020 49www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 470ejl0320
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
50 elektronik journal 03/2020
Impressum/Verzeichnisse
www.all-electronics.de
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
Unternehmen
Inserenten
Personen
Impressum
www.elektronikjournal.com www.all-electronics.de ISSN: 0013-5674 55. Jahrgang 2020
Ihre Kontakte:
Abonnement- und Leserservice: Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: +49 (0) 8191 125-799 E-Mail: leserservice@huethig.de Redaktion: Tel: +49 (0) 8191 125-408 Anzeigen: Tel: +49 (0) 6221 489-363
Das Themen-Magazin für Entwickler
Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eigene Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen, zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger jedweder Art, wie z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die vorgenannten Nutzungsrechte auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen und dergleichen in dieser Zeitschrift berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, dass solche Namen im Sinne des Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen. Mit Namen oder Zeichen des Verfassers gekennzeichnete Beiträge stellen nicht unbedingt die Meinung der Redaktion dar. Es gelten die allgemeinen Geschäftsbedingungen für Autorenbeiträge.
AUSLANDSVERTRETUNGEN
Schweiz, Liechtenstein: Katja Hammelbeck, interpress gmbh Bahnhofstrasse 20 A, Postfach, CH-8272 Ermatingen, Tel: +41 (0) 71 663 77 85, Fax: +41 (0) 71 663 77 89, E-Mail: kh@interpress-media.ch
Verlagsvertretung Österreich, Großbritannien, USA und Kanada: Marion Taylor-Hauser, Max-Böhm-Ring 3, 95488 Eckersdorf Tel: +49 (0) 921 316 63, Fax: +49 (0) 921 328 75 E-Mail: taylor.m@t-online.de
DATENSCHUTZ
Ihre Angaben werden von uns für die Vertragsabwicklung und für interne Marktforschung gespeichert, verarbeitet und genutzt und um von uns und per Post von unseren Kooperationspartnern über Produkte und Dienstleistungen informiert zu werden. Wenn Sie dies nicht mehr wünschen können Sie dem jederzeit mit Wirkung für die Zukunft unter leserservice@huethig.de widersprechen.
Ausführliches zum Datenschutz und den Informationspflichten finden Sie unter www.huethig.de/datenschutz
REDAKTION
Chefredaktion: Dipl.-Ing. Alfred Vollmer (av) (v.i.S.d.P.) Tel: +49 (0) 8191 125-206, E-Mail: alfred.vollmer@huethig.de
Dipl.-Ing. Peter Wintermayr (wi) Tel: +49 (0) 8181 125-135, E-Mail: peter.wintermayr@huetig.de
Redaktion: Dr.-Ing. Nicole Ahner (na) Tel: +49 (0) 8191 125-494, E-Mail: nicole.ahner@huethig.deDipl.-Ing. Hans Jaschinski (jj) Tel: +49 (0) 8191 125-830, E-Mail: hans.jaschinski@huethig.deDipl.-Phys. Gunnar Knüpffer (gk) Tel: +49 (0) 8191 125-145, E-Mail: gunnar.knuepffer@huethig.deDipl.-Ing. Andrea Neumayer (neu) Tel: +49 (0) 8191 125-243, E-Mail: andrea.neumayer@huethig.deMartin Probst (prm) Tel: +49 (0) 8191 125-214, E-Mail: martin.probst@huethig.deAndré Oliver Klein (aok), Volontär Tel: +49 (0) 8191 125-403, E-Mail: andre.klein@huethig.de
Freie Mitarbeiter: Jessica Mouchegh (mou), Jens Wallmann (jwa)
Office Manager und Sonderdruckservice:Waltraud Müller Tel: +49 (0) 8191 125-408, E-Mail: waltraud.mueller@huethig.deDiemut Baldauf Tel: +49 (0) 8191 125-227, E-Mail: diemut.baldauf@huethig.de
ANZEIGEN
Anzeigenleitung: Frank Henning Tel: +49 (0) 6221 489-363, E-Mail: frank.henning@huethig.de
Anzeigendisposition: Angelika Scheffler Tel: +49 (0) 6221 489-392, E-Mail: ejl-dispo@huethig.de
Zur Zeit gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 52 vom 01.10.2019
VERTRIEB
Vertriebsleitung: Hermann Weixler
Abonnement: www.elektronik-journal.de/abo/
Bezugspreis Jahresabonnement (inkl. der Zeitschrift elektronik industrie): Inland € 185,00 (zzgl. € 16,00 Versand & MwSt. = € 215,07)Ausland € 185,00 (zzgl. € 32,00 Versand & MwSt. = € 232,19)Einzelverkaufspreis € 20,00 (inkl. MwSt. & zzgl. Versand) Der Studenten rabatt beträgt 35 %.
Kündigungsfrist: jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum Monatsende.
Abonnement- und Leserservice: Hüthig GmbH, Leserservice, 86894 Landsberg, Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: +49 (0) 8191 125-799, E-Mail: leserservice@huethig.de
Erscheinungsweise: 10 × jährlich
VERLAG
Hüthig GmbH: Im Weiher 10, 69121 Heidelberg, www.huethig.de, Amtsgericht Mannheim HRB 703044
Geschäftsführung: Fabian Müller
Leiter Digitale Produkte: Daniel Markmann
Leitung Zentrale Herstellung: Hermann Weixler
Herstellung: Herbert Schiffers
Art Director: Jürgen Claus
Layout: Michael Fuchshuber
Druck: pva GmbH, Landau
© Copyright Hüthig GmbH 2020, Heidelberg.
Eine Haftung für die Richtigkeit der Veröffentlichung kann trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion, vom Ver leger und Herausgeber nicht übernommen werden. Die Zeitschriften, alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen, sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
Mit der Annahme des Manuskripts und seiner Veröffent lichung in dieser Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche, räumlich, zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht auf den Verlag über. Dies umfasst insbesondere das Printmediarecht zur Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht zur
Mitglied der Informationsgemeinschaft zur Fest stellung der Verbreitung von Werbeträgern e. V.
www.all-electronics.de
Metrofunk Kabel-Union GmbHLepsiusstraße 89, D-12165 Berlin, Tel. 030 79 01 86 0
info@metrofunk.de – www.metrofunk.de
Die DNA von Metrofunk für Systemerhalt hinter der Kulisse
Der Abwärtsregler mit dem weltweit niedrigsten IQ
Verlängern Sie die Batterielaufzeit Ihres
Systems mit dem branchenweit höchsten
Wirkungsgrad bei geringer Last
http://www.ti.com/product/TPS62840
The platform bar is a trademark of Texas Instruments.
© 2019 Texas Instruments
top related