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DC Hochspannungsbus – der Schlüssel für erhöhten Systemwirkungsgrad und den Einsatz erneuerbarer Energienvon: Stephen OliverVice President, VI Chip Product LineNovember 2012

Der Wechsel zu einem 400 V DC-Netz (HVDC = High Voltage DC) hilft dabei, die Ziele für Reduzierung der Treibhausgase, Wirkungsgrade und Einsatz erneuerbarer Energien zu erreichen.

Der Druck ist bereits hoch und er steigt ständig, den Wirkungsgrad innerhalb der gesamten Stromversorgungkette zu erhöhen. Die „20-20-20“ Energie Strategie als Antwort der Europä-ischen Union auf das Abkommen von Kopenhagen zeigt dies ganz deutlich. Die Forderung ist eine Reduzierung des Energieverbrauchs um 20%, eine Senkung der Treibhausgase um 20% und eine Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien auf 20% bis zum Jahr 2020. Diese hoch gesteckten Ziele gelten trotz des enormen Wachstums von großen Stromverbrauchern wie Datenzentren, da sich Sprach- sowie Datenübertragung und Netzwerke immer mehr zu einer Einheit vermischen und die Anforderungen seitens der Anwender um 5-10% pro Jahr steigen.

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Trotz der Wirkungsgradverbesserung in einigen Bereichen, bieten bestehende Lösungen im Bereich der Stromversorgung aus dem Netz nur wenig Möglichkeiten für eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines Systems selbst um wenige Prozentpunkte. Die Antwort ist eine völlig andere AC-DC Struktur, basierend auf einem komplett neuen Ansatz, statt einer schrittwei-sen Optimierung bestehender Lösungen. Der Einsatz einer hohen Gleichspannung im Bereich der Leistungsverteilung sowie neue Möglichkeiten bei der Umwandlung ergeben eine deutliche Verbesserung sowohl bei den verfügbaren Versorgungsoptionen als auch beim Gesamtwir-kungsgrad des Systems. In der Tat wird laut Untersuchungen von France Telekom und China geschätzt, dass durch den Einsatz von DC Verteilernetzen etwa 8% bis 10% der Gesamtenergie eingespart werden können.

Ironischerweise führt uns diese Geschichte zurück in das 19. Jahrhundert und die Anfangsjahre der elektrischen Energieerzeugung und Stromversorgung. Edison favorisierte die Gleichspan-nung, während Tesla auf Wechselspannung setzte, wegen der möglichen Transformation auf höhere sowie niedrigere Spannungen zur Vermeidung von Leitungsverlusten. Trotz der niedrigen Wirkungsgrade von nur 50 – 80% waren Transformatoren zu dieser Zeit die einzige Möglichkeit, Spannungspegel zu ändern. Aufwändige Kombinationen von Motoren und Generatoren waren die weitaus schlechtere Alternative. Es war ein heftiger Streit mit technischen, wirtschaftlichen und politischen Konsequenzen.

Wie wir alle wissen, setzte sich die Wechselspannung durch. Neue technische Entwicklungen bei den Komponenten zusammen mit gestiegenen Anforderungen im Bereich der Stromversorgung wirken jetzt als Katalysator für eine neue Betrachtung einer Gleichspannungsversorgung als bessere und jetzt auch verfügbare Alternative. Diese Entwicklungen beinhalten auch neue An-sätze bei Umwandlungsstufen, Kontrollern und der Leistungsverteilung, die sich durch moderne Halbleiter und Wandlertopologien mit vorher nicht möglichen Wirkungsgradwerten ergeben. Hochspannungsbussysteme mit Gleichstrom für den Einsatz in Gebäuden, Bürokomplexen, Lagerhallen, Schulen und Produktionsstätten sind jetzt auch praktisch möglich.

Warum überhaupt der Einsatz von Gleichspannung?

Macht es wirklich Sinn, ein hohe Gleichspannung von 380 V nominell und 400 V Spitze anstatt der traditionellen Wechselspannung einzusetzen, die erfolgreich seit über 100 Jahren verwendet wird und sich bewährt hat? Es gibt hier einige Aspekte zu bedenken. Gleichspannung erfordert im Gegensatz zu Wechselspannung keine Synchronisierung der Quelle und die Energie kann daher von beliebigen Quellen wie Windkraft, Solaranlagen oder vom Netz kommen. Es gibt kei-nerlei Probleme durch Oberwellen oder das Ausbalancieren der einzelnen Phasen sowie keine Probleme mit eigentlich unnötigem Equipment. Dies sind alles kostenintensive Investitionen im Bereich der Infrastruktur, die überflüssig werden.

Die Gleichspannung ermöglicht geringere Gesamtkosten bei der Verdrahtung im Gebäude, beim Einsatz von Kupfer und Verbindungselementen und ermöglicht gleichzeitig eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades um 8 – 10%. Ein korrekt aufgebautes Gleichspannungssytem bietet höhere Wirkungsgrade und mehr Möglichkeiten für die Versorgung aus den verschiedenen verfügbaren Quellen.

Es gibt weitere, nicht auf den ersten Blick sofort erkennbare Vorteile. Die meisten Speichersys-teme wie Batterien oder Schwungräder produzieren eine Gleichspannung. Lasten im Bereich Telekom und Server benötigen Gleichspannung und es werden daher weniger, verlustbehaftete Wandlerstufen benötigt. Die Reduzierung der möglichen Fehlerquellen bedeutet gleichzeitig auch eine höhere Zuverlässigkeit einer DC basierten Lösung.

Die Versorgung mit DC Hochspannung ist nicht nur reine Spekulation und keineswegs eine auf das Labor reduzierte Lösung. Aus der gesamten Industrie gibt es Unterstützung seitens nam-hafter Hersteller wichtiger Komponenten. Es hat sich ebenfalls ein Konsortium gebildet, das die grundlegenden Standards sowie die benötigen Spezifikationen der Funktionseinheiten entwi-ckelt. Beispiele sind DCG+C (DC Components and Grid Consortium), ITU (International Telecom-munications Union) mit dem Standard L.1200, ETSI (European Telecommunications Standards Institute) mit der EN 300 132-3-1, IEC (International Electrotechnical Commission), NTT/Japan [Nippon Telegraph and Telephone], sowie IEEE.

Die Topologie ist entscheidend

Bevor man Topologien und Realisierungsmöglichkeiten einer 400Vdc Busspannung betrachtet, sollte man zuerst einen Blick auf die momentan bestehenden Lösungen für Großverbraucher wie Datenzentren oder Telekomzentralen werfen.

In einem Datenzentrum (Bild 1) wird die ankommende Netzspannung zuerst herabgesetzt und dann auf Gleichspannung umgesetzt, um einen Parallelbetrieb zu einem Batterie Backup System zu ermöglichen. Die Gleichspannung wird dann wieder auf Netzwechselspannung hochgesetzt, um damit das Gebäude zu versorgen. Daraus wird dann wieder mit Netzgeräten eine niedri-gere Gleichspannung erzeugt, aus der letztendlich mit Hilfe von DC-DC Wandler die benötigten Lastspannungen generiert werden. Dies bedeutet insgesamt 4 Wandlerstufen zwischen Netz und eigentlichem Verbraucher.

In bestehenden Telekomanlagen gibt es 2 Wandlerstufen, allerdings mit Bereichen von signifikan-ten Verlusten, siehe Bild 2. Die Netzspannung wird auf 48Vdc gewandelt und mit dem Batterie Backup System kombiniert. Dieser 48V Bus versorgt dann die verschiedenen lokalen DC-DC Wandler zur Erzeugung der jeweiligen niedrigeren Lastspannungen.

Ein System mit hoher Gleichspannung hat ebenfalls nur 2 Wandlerstufen, allerdings sagt die Anzahl der Stufen allein noch nichts aus über den gesamten Wirkungsgrad. Die Verluste in den einzelnen Stufen sind von Bedeutung. Beim HVDC Ansatz sind beide Stufen effizienter und zuverlässiger.

Bild 1. In einem typischen Daten-zentrum gibt es 4 Wandler-stufen zwischen Netz und

eigentlicher DC Last

Bild 2. In bestehenden Telekom-

systemen erzeugen die beiden Wandlerstufen

einen hohen Anteil der Verluste.

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Die HVDC Topologie startet mit der Gleichrichtung und Umsetzung der Netzspannung auf eine nominelle Spannung von 380Vdc. Das Batterie Backup System arbeitet ebenfalls mit dieser Spannung, siehe Bild 3. Diese Gleichspannung wird dann im gesamten Gebäude verteilt und von lokalen DC-DC Wandlern auf die von Prozessoren und andere Lasten jeweils benötigte Span-nung herabgesetzt. Das System kann daher im Fehlerfall, wie z.B. Netzstörungen durch Sturm, einzeln oder simultan vom Generator, von Batterien aber auch von erneuerbaren Energiequellen wie Windgeneratoren oder Solaranlagen versorgt werden.

Herabsetzung auf niedrige Spannungen

In der Realität arbeiten die meisten Verbraucher mit Spannungen unter 12V, oftmals auch im Bereich von 1V. Die Aufgabe eines Verteilungs- und Wandlersystems ist es daher, diese Spannun-gen und die damit verbundenen hohen Ströme effizient und zuverlässig zu erzeugen.Auf der Basis verschiedener, verfügbarer Modulblöcke kann ein DC-Hochspannungsbus die-se Forderungen erfüllen. Einer davon ist der Sine Amplitude Converter™ (SAC™), der im BCM®Bus Converter verwendet wird. Er ist ein isolierter, nicht geregelter DC-DC Wandler, der eine Zero-Voltage/Zero-Current Switching Architektur verwendet, siehe Bild 4.

Der SAC wirkt ähnlich wie ein traditioneller Wechselspannungstransformator mit einem vorgege-benen festen Übersetzungsverhältnis, jedoch mit der Ausnahme, dass am Ein- und am Ausgang eine Gleichspannung anliegt. Mit einem Verhältnis von 1 zu 8 erzeugt er aus einer Spannung von 400V eine Ausgangsspannung von 50V. Sinkt die Eingangsspannung auf 380V, reduziert sich die Ausgangsspannung auf 47,5V.

Bild 3. Die Netzspannung wird

auf 380Vdc nominal um-gesetzt und das Batterie

Backup System arbeitet mit der gleichen Spannung

Bild 4. Für eine HVDC Topologie können Entwickler einen Sine Amplitude Conver-

ter™ (SAC™) oder BCM® Bus Converter (isolierter,

nicht geregelter DC-DC Wandler) einsetzen.

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Die SAC Technik erzielt Wirkungsgrade von über 96% vor allem durch die feste hohe Taktfrequenz (1 MHz) sowie weiches Schalten. Das Ergebnis sind Leistungsdichten von 70 W/cm3. Ein Vicor Full Chip Buswandler mit Abmessungen von nur 3,25×2,2×0,67 cm ist etwa so groß wie ein Standard RJ-45 Ethernet Stecker (siehe Bild 5) und kann bis zu 330W liefern. Der zweite Block ist der nicht isolierte Buck-Boost Regler, ebenfalls mit Zero-Voltage Switching und Betrieb bei 1 MHz (siehe Bild 6), kleiner Baugröße sowie Wirkungsgraden von 97%.

Als Einheit bilden der SAC/BCM und der Buck-Boost Regler eine Equalizer (Adapter) Funktion über den gesamten, von der ETSI Norm für normalen Betrieb definierten Eingangsspannungs-bereich (Bild 7). Bei der nominellen Spannung von 380V liefert der Buswandler eine Spannung von 48V und der Equalizer ist im Bypass Modus; d.h. der Buck Boost Regler wird überbrückt. Der Wirkungsgrad des Systems wird verbessert, da der Wandler nur bei Bedarf aktiviert wird. Fällt die Spannung vom Netz oder den Batterien in den Bereich von 260V, schaltet sich der Regler ein und hält die Busspannung bei 48V.

In beiden Fällen erzielt das System hohe Wirkungsgrade und erlaubt einen nahtlosen dyna-mischen Einsatz verschiedenster Quellen wie das gleichgerichtete Netz, Batterien und soweit vorhanden auch erneuerbare Energien.

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Bild 5. Dieser Vicor Buswand-ler hat die Größe eines

Standard RJ-45 Ethernet Steckers und liefert doch

bis zu 330W.

Bild 6. Der nicht isolierte Buck-Boost Regler ermöglicht

durch den Einsatz von Zero-Voltage Switching und Betrieb mit 1 MHz kleine Baugrößen und

97% Wirkungsgrad.

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Bestehende Anlagen können ebenfalls versorgt werden. Wie in Bild 8 gezeigt, starten heutige Telekomarchitekturen mit einem Netzgerät mit 48V Ausgang, gefolgt von einer 48V-Verteilung (Power-Distribution Unit PDU) und dann DC-DC bzw. DC-AC Modulen für die benötigten Last-spannungen. Für eine Übergangszeit wäre die in Bild 9 gezeigte Lösung möglich. Aus dem Netz wird eine 380V Gleichspannung erzeugt und im System verteilt. Danach folgt ein Mix aus 380Vdc, 48Vdc und falls benötigt auch niedrigen Wechselspannungen zusammen mit 48V auf 12V oder 9.6V Wandlern für die benötigten Busspannungen.

Bild 7. Um die durch ETSI

definierten Betriebs- bedingungen zu erfüllen,

muss man die Eckwerte betrachten und

entsprechende Funktions-blöcke einsetzen.

Bild 8. Durch die Verwendung

mehrerer Module können auch bestehende Anlagen

versorgt werden.

Bild 9. Während der Übergangs-

phase wird eine Kombina-tion aus Gleichrichtern mit

Auf- bzw. Abwärtswand-lern eingesetzt

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HVDC kann damit stufenweise eingesetzt werden, ohne die Notwendigkeit, das bestehende Sys-tem komplett zu zerlegen, was nicht nur kostenintensiv sondern praktisch auch fast unmöglich wäre. Nach einer Übergangsphase würde die weitere Wandlerstufe nach der Hochspannungsver-teilung entfallen. Wie in Bild 10 gezeigt werden die 380Vdc direkt zu den Lasten geführt und dort in einem einzigen Schritt auf die jeweils benötigten Lastspannungen umgewandelt.

Ein konkretes Beispiel

Block Diagramme und Vorschläge für Architekturen sind schön, viel besser ist aber das in Bild 11 und 12 gezeigte voll funktionsfähige Beispiel eines 400V Systems mit verfügbaren Verbindungs- und Verteilersystemen sowie Sicherungen. Diese Zusammenarbeit von Emerson, Vicor, Ander-son Electric, und Fujitsu ermöglichte die Versorgung verschiedenster Lasten wie einen Intel VR12 Prozessor, einen LAN Switch, einen 1U Server, einen PC und einen Monitor. Als weiterer Beweis der Funktionsfähigkeit des Systems wurde aus der 48V Busspannung mit einem Buck-Boost Reg-ler gefolgt von einem buswandler-ähnlichen Konverter direkt eine 1V Versorgungsspannung für den Prozessor generiert. Weitere Wandler vor dem Prozessor entfallen damit und im Vergleich zu einem herkömmlichen System steigt der Wirkungsgrad um etwa 5%.

Bild 10. Mit der weiteren Ein-

führung dieser Techno-logie wird der 380Vdc

Bus direkt zu den Lasten geführt und dort in einem

einzigen Schritt auf die benötigte Lastspannung

umgewandelt.

Bild 11 und 12. Voll funktionsfähiges,

komplettes 400V System, aufgebaut mit verfügbaren

Steck- und Verteilersyste-men sowie Sicherungen.

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The Power Behind Performance

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Herausforderungen und Möglichkeiten in der Zukunft

Ein Bussystem mit hoher Gleichspannung bietet einen sehr verlockenden Weg aus dem Dilem-ma des hohen Energieverbrauchs. Die Verschmelzung der sprachorientierten Telekommunikation mit der datenzentrierten Netzwerktechnologie (Sprache, Video, Daten) bringt einen erhöhten Energiebedarf von der Informationsquelle bis hin zum Endverbraucher. Gleichzeitig begegnen wir Problemen wie der Klimaveränderung, der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe und der Notwendigkeit, erneuerbare Energiequellen zu integrieren.

Initiativen wie das Kyoto Protocol (1997), die Vereinbarung von Kopenhagen (2009) und die 20-20-20 Energie Strategie des Europaparlaments bieten ein Regelwerk und setzen ambitionierte Ziele für die Reduktion der Treibhausgase, die Senkung des Energieverbrauchs und der verstärk-ten Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Die Elektronikindustrie wird eine wichtige Rolle bei der Reaktion auf diese Forderung und beim Erreichen der gesteckten Ziele spielen. Innovationen mit radikalen und drastischen Änderungen sind gefordert, nicht schrittweise kleine Verbesserungen. Benötigt wird ein aktives Herange-hen mit einer Führungsrolle im Bereich der erforderlichen Veränderungen, beim gleichzeitigen Einsatz bewährter, sicherer und verfügbarer Technologien, um eine kurzfristige Markteinfüh-rung zu erzielen. Eine industrieweite Zusammenarbeit mit Allianzen zwischen verschiedensten Herstellern ist nötig, um geeignete Normen zu schaffen, Gemeinsamkeiten zu definieren und die Hürden für einen Einsatz zu minimieren.

Gleichzeitig müssen Pläne, Prozesse und Produkte kommerziell realisierbar sein, um Akzep-tanz und Einsatz weltweit anzuspornen. Diese großen Herausforderungen verlangen sicherlich großzügiges Denken und weitreichende Änderungen. Die Industrie hat aber wiederholt gezeigt, dass sie dazu bereit ist, hier eine führende Rolle zu übernehmen, indem über die Jahre Prozesse, Produkte Produkteinführungen teilweise radikal geändert wurden.

Über den Autor

Stephen Oliver ist Vice President of VI Chip® Product Line bei der Vicor Corporation. Er arbeitet seit 18 Jahren in der Elektronikindustrie mit Erfahrung als Applikationsingenieur, bei Produktent-wicklung und Produktion sowie im strategischen Produkt Marketing für die Bereiche AC-DC, Telekom, Verteidigung, Prozessorversorgung und Automotive Markt. Er war früher tätig bei International Rectifier, Philips Electronics sowie Motorola, hat einen Abschluss als Elektronik- ingenieur von der Universität in Manchester, UK sowie einen MBA in Global Strategy and Marketing der University of California, Los Angeles, und besitzt mehrere Patente im Bereich der Leistungselektronik.