Neuer Gleichrichter senkt Stromverbrauch

Module, die Geräte mit Gleichstrom versorgen, sind aus der modernen Elektro-technik nicht mehr wegzudenken.

Egal ob Handys, Computer oder Fernsehgeräte – alle benötigen das Verbindungsteil, das die Wechselspannung des Energienetzes in Gleichspannung umwandelt und den Eingangsstrom so formt, dass keine Störungen auftreten.

Leider entstehen bei der Umwandlung unerwünschte Verluste: Der Wirkungsgrad von Gleichrichtern liegt momentan bestenfalls bei 97,5 Prozent. Dr. Jürgen Biela und Doktoranden der Professur für Leistungselektronik der ETH Zürich haben nun ein neues Verfahren entwickelt, mit welchem der Wirkungsgrad von Gleichrichtern wesentlich gesteigert werden kann.

Nach den Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) wird im Laufe des Jahres 2009 die Zahl der Computernutzer eine Milliarde überschreiten. Bis 2030 wird sich laut IEA der Energiebedarf durch Unterhaltungselektronik und Bürogeräte auf rund 1'700 Milliarden Kilowattstunden verdreifachen. Der steigende IT-Stromverbrauch wird also in Zukunft nicht nur die Stromrechnungen in die Höhe treiben, sondern er gefährdet auch die Pläne, die Energieversorgung zu sichern.

Um dem stetig steigenden Stromverbrauch entgegenzuwirken, müssen unter anderem die Verluste in den leistungselektronischen Konvertern, welche die IT-Geräte mit Energie versorgen, reduziert werden. Biela und seine Kollegen konn-ten nun durch neue Optimierungsverfahren einen Gleichrichter entwickeln, der den erreichbaren Wirkungsgrad von 97,5 auf maximal 99,2 Prozent verbessert. Was nach wenig tönen mag, hat eine grosse Wirkung: „Mit der eingesparten Energie durch einen höheren Wirkungsgrad aller IT-Geräte in der Schweiz um nur ein Prozent, könnte ungefähr der jährliche Stromverbrauch von 10'000 Schweizern gedeckt werden“, veranschaulicht Biela die Auswirkungen des neuen Gleichrichters.

Bei der Berechnung solcher Geräte muss der Ingenieur immer einen geeigneten Kompromiss finden, denn je kleiner ein gegebenes System gebaut wird, desto geringer wird normalerweise seine Effizienz. Der Wirkungsgrad sinkt, da der Fluss elektrischer Energie – vergleichbar einem Flüssigkeitsstrom – durch ein kleineres Gerätevolumen gepresst werden muss. Dadurch geht wertvolle Energie verloren. Die Kunst ist also, ein System mit hoher Leistung und kleinem Volumen zu bauen. Mit dem vom ETH-Forschungsteam entwickelten Ansatz lässt sich jetzt erstmals der bestmögliche Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Baugrösse ermitteln. So können die Forscher feststellen, welcher maximale Wirkungsgrad bei einem begrenzten Volumen theoretisch überhaupt erreichbar ist. „Mit den heutigen Materialien ist der von uns erreichte Wirkungsgrad von 99,2 Prozent bei einer Leistung von 1,6 kW und einem Volumen von 1,1 Liter wohl das Optimum“, betont Biela. Möchte man ein System so klein wie möglich bauen, so sinkt der erreichbare Wirkungsgrad auf unter 96 Prozent. Die ausserordentlich hohe Effizienz des neuen aktiven Gleichrichters erreichten die ETH-Forscher, indem sie dessen Komponenten bezüglich der Bauteilwerte und der Geometrie optimal berechneten und aufeinander abstimmten.

Um die hohen Effizienzwerte in der Praxis genau ermitteln zu können, mussten die Forscher überdies ein neues Messsystem entwickeln, mit dem der Wirkungsgrad mit einer Genauigkeit von ±0,05 Prozent bestimmbar ist. Mit dem neu entwickelten Modellierungs- und Optimierungsverfahren, kann in Zukunft aber auch das Potential neuer Technologien und Materialien – wie zum Beispiel Silizium Karbid – ausgelotet werden.

Die Industrie interessiert sich sehr für die Forschung der ETH-Leistungselektroniker. Der Prototyp des aktiven Gleichrichters ist bereits für Tests bei einer grossen Halbleiterfirma. „Unser Verfahren ist keine theoretische Spielerei, es kann unmittelbar eingesetzt werden“, hebt Biela den Praxisbezug der Forschung hervor. Der verbesserte Gleichrichter ist aber für das Team nur der erste Schritt. Um die Energieeffizienz zu verbessern, ist ihr nächstes „Angriffsziel“ der Gleichspannungswandler. Mikroprozessoren und Speicherbausteine (RAMs) benötigen häufig eine niedrige Spannung von 1,2-1,8 Volt. Der Gleichspannungswandler ist dem aktiven Gleichrichter nachgeschaltet und reduziert Spannung aus der Steckdose auf die gewünschte niedrigere Voltzahl.

Kontakt
ETH Zürich
Dr. Jürgen Biela
Professur für Leistungselektronik
+41 44 632 69 22
biela@lem.ee.ethz.ch