Die Zukunft wird elektrisch - Wandler zwischen DC und AC werden zu Schlüsselelementen dieser Zukunft

E-Mobility und Industrie 4.0 sind die prominentesten Namen für eine Entwicklung, die längst Fahrt aufgenommen hat. In allen Bereichen unseres Lebens werden mehr und mehr bislang mechanische Prozesse elektrifiziert. Denn trotz der Problematik, dass man elektrische Energie nur schwer (und derzeit noch teuer) speichern kann, sind die Vorteile überwältigend. Strom lässt sich sehr fein regeln, lässt sich über weite Distanzen verlustarm transportieren, kann von pA bis kA zur Verfügung gestellt werden und ist nahezu überall verfügbar.

Die in Deutschland verbrauchte Primärenergie teilt sich zu etwa gleichen Anteilen auf in den industriellen Energiebedarf, die privaten Haushalte und den Verkehr. Dabei verbraucht die Industrie die Energie überwiegend für die Prozesswärme. In Haushalten wird der größte Teil der Energie für Raumwärme aufgewandt sowie zunehmend zur Kühlung. Und im Verkehr wird nahezu 100% des Energieverbrauchs für den Antrieb der Fahrzeuge eingesetzt.

Primärenergie (Wärme, Elektrizität) wird heute noch nahezu ausschließlich aus Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen. Auch die gesamte Basislast-Versorgung an elektrischen Strom wird entweder durch Kohle und Erdöl erzeugt oder in Kernkraftwerken, die jedoch in Deutschland eine überschaubare Restlaufzeit haben.

Um die Erderwärmung zu begrenzen wird vor allem der Anteil der elektrisch verwendeten Primärenergie zunehmend durch regenerative Quellen ersetzt werden müssen. Dass dies heute schon möglich ist, zeigen vor allem Hunderttausende von Haushalten, die bereits über Solaranlagen und elektrische Energiespeicher verfügen. So können zum Beispiel mit Hilfe von elektrisch betriebenen Wärmepumpen sehr effizient die Energieträger Erdöl und Erdgas zur Wärmeerzeugung substituiert werden.

Regenerative Energie wird in Norwegen nahezu ausschließlich aus Wasserkraft gewonnen. Ein Szenario, das im dichtbesiedelten Deutschland unmöglich zu realisieren ist. Hierzulande ist es eher der Energiemix aus Solarer Energie, Windkraft, Biomasse und einer großen Anzahl größere und kleinerer Wasserkraftwerke.

Fast allen Quellen erneuerbarer Energie eigen ist der Umstand, dass der produzierte elektrische Strom zunächst gleichgerichtet wird, um ihn dann frequenzmäßig (50Hz) ans Netz angepasst einspeisen zu können. Dem gegenüber steht eine immer größere Anzahl gleichstrombetriebener Energieabnehmer.

DC/DC und DC/AC Wandler werden Schlüsselkomponenten im Strom-Mix

Möchte man Gleichstrom oder nicht netzfrequenz-konformen Wechselspannungen einspeisen, benötigt man sogenannte Wandler (Umrichter, Wechselrichter, Schaltnetzteile, Spannungsumrichter). Diese Wandler setzen DC in AC und passen dabei auch Spannungsniveaus an. Besonders bidirektionalen Wandlern kommt eine bedeutende Rolle bei der Speicherung und Rückspeisung von elektrischer Energie aus Batterien (DC/AC und AC/DC Wandler) zu.

Die Anzahl von solchen elektronischen Spannungswandlern wird in den nächsten Jahren sprunghaft zunehmen. Vor allem, wenn sich die Idee durchsetzen sollte, das neben den traditionellen Hochspannungsverteilnetzen ein MVDC oder LVDC-Stromnetz eingesetzt wird. Mit Wirkungsgraden bis zu 99% sind gerade die DC/DC Wandler enorm effizient, so dass z.B. Verluste beim Umsetzen vom Mittelspannungs-Verteilnetz auf das lokale Niederspannungs-Gleichstromnetz minimiert werden können. Größere Industrieanlagen, kommunale Einrichtungen wie Krankenhäuser, ganze Rechenzentren oder Wohnblocks mit Solaranlagen-Technik (Stichwort Gebäudeautomation) könnten so direkt mit einer Gleichspannungsschiene von z.B. 380 VDC versorgt werden. Zum Beispiel Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV`s) ließen sich auf diese Weise leicht integrieren und tatsächlich unterbrechungsfrei zuschalten.

Da viele elektrische Geräte intern mit Gleichspannung arbeiten, entfielen viele verlustbehaftete Transformationen von Wechselspannung zu Gleichspannung. Man denke nur an Rechenzentren mit Hunderten individueller AC/DC Netzteilen. Ganz allgemein geht man von Energieeinsparungen von mind. 10-15% aus.

Doch auch ohne diese Gleichstrom-Spannungsebene in einem noch zu schaffenden regionalen Verteilnetz (Smart-Grid; Micro-Grids) werden zunehmend DC/DC Wandler benötigt. In Mild-Hybrid-Fahrzeugen werden zunehmend 48 VDC eingesetzt. Dieses Spannungsniveau fällt noch unter die Kleinspannungsregelung, erlaubt jedoch bereits mittlere Leistungen ohne zu große Leitungsquerschnitte (Gewicht). Auch bei Vollelektrischen Fahrzeugen mit Hochvoltbatterie wird es Komponenten geben, die mit der wesentlich weniger kritischen Kleinspannung von 48 VDC betrieben werden (z.B. Klimaanlage, Assistenzsysteme).

Ein weiterer Einsatzbereich von DC/DC-Wandlern werden die in immer mehr Haushalten installierten Solaranlagen mit Energiespeicher. Tagsüber wird der produzierte Strom in die Batterie eingespeist und in Zeiten mit geringer Quellleistung (z.B. nachts) wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben – in beiden Fällen sorgen Wandler für die richtige Spannungsanpassung.

Isolationsfolien und Klebebänder für DC/DC-Wandler

CMC Klebetechnik liefert für solche elektronischen Wandler

Isolationsfolie, auch gefiedert als Zwischenlagenisolation oder Abschlußisolation in den Wärmeklassen B, F und H

Stanzteile aus flammhemmenden Folien als Isolation zwischen Bauteilen und Platine

Gut falzbare, flammhemmende Folien als Gehäusebestandteil (Flammbarriere)

Wärmeleitende Produkte zum Ableiten von Verlustwärme (z.B. Gapfiller, Silikonfolien, Kapton® MT/MT+ )

Technische Klebebänder für Isolation, Abdichtung und Befestigung

Formstanzteile, z.B. zu Isolation zwischen Gehäuse und Elektronik

PEN-Klebebänder für kostengünstige und dennoch wärmebeständige Isolationen

Die früher häufig eingesetzten 50 Hz Transformatoren wären bei heutigen Leistungsanforderungen in vielen Fällen zu groß. Über eine höhere Taktfrequenz bis zu einigen zig Kilohertz lässt sich das magnetische Bauteil „Transformator“ deutlich verkleinern. Mit modernen elektronischen Schaltern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) kann die Frequenz nochmals erhöht werden. Dennoch sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Immer kleinere Bauformen bedeuten eine immer höhere Energiedichte und damit Erwärmungsprobleme.

Neben der Möglichkeit, mit einer aktiven Kühlung die Entwärmung zu verbessern, kann auch der Einsatz höherwertiger Bauteile und Isolationen eine Möglichkeit darstellen, einen zuverlässigen Betrieb zu sichern.

CMC Klebetechnik hat neben den üblichen Polyester-Klebebändern der Wärmeklasse B (130°C Dauerbetriebstemperatur, z.B. CMC 10260) auch Klebebänder für 155°C (Klasse F) und 180°C (Klasse H) im Programm. Da die Wärmealterung eine der Größen ist, die am stärksten die Isolationsfähigkeit begrenzt, kann man mit Isolationsklebebändern einer höheren Wärmeklasse eine längere sichere Betriebsdauer bewerkstelligen.

Für die Wärmeklasse H (180°C) setzt CMC Klebetechnik die Polyimid-Folie Kapton® HN von DuPont ein. Diese Hochleistungsfolie ist extrem widerstandsfähig und hoch belastbar. In Verbindung mit einem Polysiloxankleber sogar bis 350°C.

Wesentliche Isolationsfolie für die Wärmeklasse F (155°C Dauergebrauchstemperatur) ist TEONEX® von Teijin. Diese Polynaphtalat-Folie (PEN) hat eine deutlich verbesserte Wärmestandfestigkeit gegenüber PET bei weiterhin sehr guten elektrischen Werten für Oberflächenwiderstand und Spannungsfestigkeit.

Die Produkte CMC 61100 und CMC 61200 liegen also zwischen der für elektronische Baugruppen recht hohen Wärmeklasse H und der in vielen Fällen nicht mehr ausreichenden Wärmeklasse B. Sie schließen auch die Preislücke zwischen den günstigen PET-Klebebändern und den relativ preisintensiven Kapton®-Klebebändern (z.B. CMC 70100). Es ist daher nicht mehr notwendig, bei Anforderungen oberhalb der Wärmeklass B (Polyesterfolien) gleich auf Polyimidfolien (Kapton®) zurückgreifen zu müssen. TEONEX®-Isolationfolien und daraus hergestellte PEN-Klebebänder sind daher ideal für den Einsatz in temperaturbelasteten, hochkompakten Baugruppen.

Isolationen für DC-DC-Wandler, AC/DC Netzteile und bidirektionale Stromrichter (DC/DC)