Netzteile für Medizinapplikationen Wie der Wirkungsgrad von Netzteilen erhöht werden kann

In den letzten 10 Jahren nahm die Größe eines konvektionsgekühlten Netzteils für medizinische Applikationen bei einem 100-W-Gerät um ca. 70% ab. Damit sinkt auch die Fläche zur Entwärmung und der Wirkungsgrad muss erhöht werden. Wir stellen Ihnen Techniken vor, um die Designvorgaben für Medizinapplikationen zu erfüllen.

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Bicker Elektronik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

XP Power

Mit empirischen Messungen und Berechnungen kann die maximal abführbare Verlustleistung eines Open Frames oder eines U-Chassis für eine spezielle Grundfläche recht genau ermittelt werden. Die Zahlen basieren auf der Einhaltung der relevanten Sicherheitsabstände und Konvektionskühlung.

Eine akzeptable Zuverlässigkeit und angemessene Lebensdauer wurden ebenfalls berücksichtigt. Durch forcierte Kühlung kann die Leistungsdichte erhöht werden, allerdings einhergehend mit gleichzeitiger Reduktion der Systemzuverlässigkeit, da Lüfter eine deutlich geringere Lebensdauer als alle anderen Bauteile haben. Zusätzlich vergrößern sie die Abmessungen und erzeugen Geräusche. In der Regel sind Lüfter bei Medizingeräten nicht erwünscht.

Wird beispielsweise ein Standardgerät von 3 × 5" verwendet, so kann das ca. 18 W Verlustleistung abgeben. Ausgehend von der 20-W-Verlustleistungskurve muss es über einen Wirkungsgrad von mindestens 86% verfügen, um bei Konvektionskühlung zuverlässig arbeiten zu können.

Im Bild 3 ist deutlich der Effekt bei der möglichen Leistung zu sehen, den eine relativ geringe Verbesserung des Wirkungsgrads ergibt und das bei gleichbleibender Größe und gegebener Leistungsabgabe. An der Verlustleistungskurve von 20 W ist ersichtlich, dass ein höherer Wirkungsgrad von 88 auf 93% die mögliche Leistung von 150 W auf 250 W bei gleicher Grundfläche ansteigen lässt.

Für Anwender von Stromversorgungsgeräten sind Größe und Wirkungsgrad die wichtigsten Parameter. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz kann die Bauteilgröße, speziell von Kondensatoren und Induktivitäten, reduziert werden. Allerdings steigen dabei die Schaltverluste deutlich an.

So sinkt bei einem Netzteil der Wirkungsgrad von 92% bei einer Schaltfrequenz von 30 kHz auf 83% bei 200 kHz. Bei medizinischen Applikationen ist die Zuverlässigkeit ein wichtiges Kriterium und das Netzgerät sollte in allen Betriebzuständen innerhalb der spezifizierten Daten betrieben werden.

Wie Entwicklungsvorgaben umsetzen lassen

Die Reduktion der Systemabmessungen innerhalb der letzten Dekade war nicht in einem einzelnen Entwicklungsschritt möglich. Das konnte nur durch die Kombination von vielen Verbesserungen, sowohl bei den Designtechniken als auch bei den Bauteiltechnologien erreicht werden. Bei der eingehenden Betrachtung eines Netzteils sind einige der Designänderungen sichtbar.

Durch den Einsatz von Kernmaterialien mit hoher Permeabilität in Zweistufenfiltern wird die Baugröße reduziert mit gleichzeitig sehr hoher Filterwirkung bei Gleich- und Gegentaktstörungen. Kleinere Grundfläche kann durch das Stapeln der Bauteile erzielt werden, wobei als Nebeneffekt durch die Verbesserung der Luftführung, die Kühlung verbessert werden kann.

In vielen Netzteilen wurde der Einsatz von Silizium-Karbid-Dioden im PFC-Kreis wirtschaftlich sinnvoll, da sie keine Snubberbeschaltung benötigen, wodurch die Anzahl der Bauteile und der Platzbedarf reduziert wird und darüber hinaus verbessert sich der Wirkungsgrad um typischerweise 1%.

Da die Topologie des Hauptwandlers für den Wirkungsgrad entscheidend ist, werden Geräte in der Leistungsklasse von 100 bis 200 W oftmals als Resonanzwandler konzipiert. Damit können die Schaltverluste nahezu eliminiert werden, was den Einsatz von kleineren Kühlkörpern ermöglicht.

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