Gleichspannungswandler

Mehr Effizienz: Neues Verfahren für DC/DC-Wandler patentiert

| Redakteur: Sariana Kunze

Forscher haben ein neues Verfahren für DC/DC-Wandler entwickelt.
Forscher haben ein neues Verfahren für DC/DC-Wandler entwickelt. (Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Forscher der Universität Stuttgart haben ein neues Verfahren für Gleichspannungswandler, DC/DC-Wandler, entwickelt, das die Effizienz in jedem Betriebszustand erhöht.

Gleichspannungswandler, auch DC/DC-Wandler genannt, werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Sie sind Bestandteil von Schaltnetzteilen, mit denen Verbraucher wie PC-Netzteile, Notebooks, Mobiltelefone, Kleinmotoren oder beispielsweise Batterieladegeräte betrieben werden. Forscher der Universität Stuttgart entwickelten nun ein Verfahren, mit dem die Effizienz des Gleichspannungswandlers erhöht werden kann.

Was ist ein DC/DC-Wandler? Ein DC/DC-Wandler konvertiert eine DC-Spannung in eine andere um. Die Betriebsspannung von verschiedenen elektronischen Geräten wie ICs variiert stark, es sollte jedoch für jedes Gerät die richtige Spannung bereitgestellt werden. DC/DC-Wandler werden auch als lineare oder Schaltregler bezeichnet, je nach dem verwendeten Umwandlungsverfahren. DC steht für Direktstrom (Gleichstrom) und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strom seine Polarität nicht im Zeitverlauf ändert. Wenngleich die Polarität sich nicht im Zeitverlauf ändert, so kommen bei DC doch auch kleine Stärkeschwankungen vor, so genannte Welligkeiten. Eine instabile oder ungeeignete Spannungsversorgung kann zu geminderten Leistungsmerkmalen und sogar zu Funktionsausfällen führen. Um dem zuvorzukommen, wird ein DC/DC-Wandler zur Spannungsumwandlung und -stabilisierung benötigt.

Induktivität des Spulenkerns nimmt maximalen Wert ein

Die DC/DC-Wandler ermöglichen das Umsetzen einer am Eingang des Gleichspannungswandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung am Ausgang des Wandlers. Eine wichtige Komponente vieler DC/DC-Wandler ist eine Spule, über welche die zwischen dem Eingang und dem Ausgang transferierte Energie zwischengespeichert wird. Derartige Spulen weisen in der Regel eine Induktivität auf, die von dem Mittelwert des von der Spule geführten Stroms abhängig ist. Der Wert der Induktivität beeinflusst die in der Spule auftretenden Leistungsverluste. In Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Gleichspannungswandlers können unterschiedlich hohe Leistungsverluste entstehen. Forscher der Universität Stuttgart entwickelten nun ein Verfahren, mit dem die Effizienz des Gleichspannungswandlers erhöht werden kann. Dabei wird über das Tastverhältnis des Leistungsschalters der Mittelwert des Stroms in der Hauptwicklung der Spule eingestellt. Die Einstellung erfolgt derart, dass die Permeabilität/Induktivität des Spulenkerns ihren maximalen Wert einnimmt.

Effizienz von DC/DC-Wandlern in jedem Betriebszustand erhöhen

Durch das von Dr.-Ing. Omar Abu Mohareb, Projektleiter am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart, entwickelte Verfahren kann die Effizienz des Gleichspannungswandlers in jedem Betriebszustand erhöht werden – also für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule. Damit wird durch die Einhaltung des maximal möglichen Induktivitätswertes ein maximaler Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen erreicht werden.

Ein neues Verfahren bei Gleichspannungswandler erhöht die Effizienz.
Ein neues Verfahren bei Gleichspannungswandler erhöht die Effizienz. (Bild: TLB GmbH)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers (Abb. 1), der einen Leistungsschalter (2) und eine Spule (3), einen Spulenkern (Abb. 2), eine auf dem Spulenkern (6) angeordnete Hauptwicklung (4) und eine auf dem Spulenkern angeordnete Steuerwicklung (5) umfasst. Der Mittelwert des Hauptwicklungsstroms (lav) wird über ein Tastverhältnis (D) des Leistungsschalters (2) derart eingestellt, dass entweder ein konstanter Ausgangsstrom (lo) oder eine konstante Ausgangsspannung (Vo) des Gleichspannungswandlers erhalten wird. Der Steuerstrom (Ictr) wird in Abhängigkeit von dem Mittelwert (lav) des Hauptwicklungsstroms über dem Tastverhältnis eines Steuerschalters (7) eingestellt. Die Einstellung erfolgt derart, dass die Permeabilität des Spulenkerns ihren maximalen Wert einnimmt. Das Verfahren eignet sich für Anwendungen, bei denen die Induktivitätswerte geregelt oder eingestellt werden müssen (Dynamic Inductor Control - DIC).

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Weitere Informationen

Das Patent für dieses Verfahren wurde in Deutschland bereits erteilt (DE102017209230B4), eine PCT, Patent Cooporation Treaty steht für internationales Patentsystem, ist eingereicht. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Erfindung.

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