EVs gehen auf 48V-Stromversorgungsnetze mit 12V-Zonen über, um ältere Subsysteme zu unterstützen. Die kompakten, leichten DC/DC-Wandler von Vicor machen die Wandlung an der Laststelle einfach und hocheffizient.(Bild: Vicor)
Steigende Leistungsanforderungen in Industrie, Rechenzentren und Mobilität stellen neue Anforderungen an Stromversorgungen. 48V-Leistungsmodule eröffnen hier effiziente, kompakte und skalierbare Lösungen für die nächste Entwicklungsstufe.
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Fortschritte in der Halbleitertechnologie und globaler Wettbewerb haben in den letzten zehn Jahren zu einem rasanten Anstieg der Leistungsdichte zahlreicher Systeme in der Industrie, in Fahrzeugen, der Luft-/Raumfahrttechnik und bei Hochleistungsrechnern geführt. Der enorme Energiebedarf, der für den Betrieb von KI-Rechenzentren benötigt wird, steht an der Spitze dieses Trends.
Wenn Entwickler von Stromversorgungssystemen keine neuen Ansätze in Erwägung ziehen, diesen exponentiellen Anstieg zu bewältigen, werden Stromversorgungen immer stärker zur Zunahme von Systemgröße/Volumen, Gewicht und Kosten beitragen.
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Darüber hinaus wird der steigende Leistungsbedarf entsprechend höhere Anforderungen an das Wärmemanagement nach sich ziehen, was zu größeren Stromversorgungssystemen und wiederkehrenden Kosten führt. Es liegt also auf der Hand, dass neue Ansätze (einschließlich Architekturen, Topologien und Gehäuse) und innovative Lösungen dringend erforderlich sind.
Um diese komplexen Herausforderungen zu meistern, gibt es 48V-Leistungsmodule mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte.
Der Übergang von 12V- zu 48V-Stromversorgungsnetzen (PDNs; Power Delivery Networks) beschleunigt sich in zahlreichen Märkten. Die ersten 48V-PDN-Elektrofahrzeuge sind bereits auf der Straße, viele weitere befinden sich in der Entwicklung. Die 48V-Verteilung in Rechenzentrum-Racks ist bei Hyperscalern mittlerweile Standard. Entwickler von Stromversorgungen sollten die Vorzüge von 48V-PDNs als logischen Ausgangspunkt für die Stromversorgungsarchitektur ihres elektrischen Subsystems abwägen.
Der Übergang zu einer 48V-basierten Energieverteilung erfolgt nicht ohne Herausforderungen. Das Ökosystem der 12V-zentrierten Stromversorgungskomponenten und -subsysteme ist ausgereift und basiert auf einem Know-how, das sich über 75 Jahren angesammelt hat. Am Markt gibt es eine Vielzahl 12V-optimierter Versorgungskomponenten und -optionen, mit denen die Entwickler in all ihren Facetten vertraut sind. Im Vergleich dazu ist das 48V-Ökosystem weniger etabliert, wobei die breite Einführung von 48 V in Serverracks in Rechenzentren erst seit dem Jahr 2021 zu beobachten ist.
Entwickler von Stromversorgungen sind weniger vertraut mit Leistungselektronik-Komponenten und -Subsystemen, die zur Unterstützung eines 48V-PDN-Designs benötigt werden. Durch 48V-DC/DC- Wandlermodulemit integrierter Magnetik lassen sich jedoch technische und kommerzielle Risiken sowie Unsicherheiten beseitigen, da die Modulhersteller die gesamte Verantwortung für Design, Beschaffung, Test, Qualität und Zuverlässigkeit übernehmen und Entwickler von Endsystemen vor dieser Unreife dieses Ökosystems schützen.
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Darüber hinaus sind viele vorhandene 12V-Subsystemlasten vollständig kostenoptimiert und können kurz- bis mittelfristig weder finanziell noch funktional sinnvoll ersetzt werden. Deshalb sorgt eine Überbrückung zwischen einem 48V- und 12V-zentrierten PDN für das optimale Systemdesign. Wichtig ist, dass sowohl 12 V als auch 48 V als SELV-Niveau (Safety Extra Low Voltage) gelten, so dass der Wechsel zu 48V-Stromverteilern die Sicherheit von Personen nicht gefährdet.
Das 12V-Ökosystem ist gut etabliert und in vielen Fällen vollständig kostenoptimiert. Daher ist die Überbrückung zwischen einem 48V- und einem 12V-Stromversorgungsnetz mithilfe von DC/DC-Wandlermodulen die optimale Lösung, um den Weg zu 48V-Stromversorgungsdesigns zu erleichtern.(Bild: Vicor)
Save the date: 30. Automobil-Elektronik Kongress
Save the Date! Der AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Kongress findet 2026 am 16. und 17. Juni statt.
Am 16. und 17. Juni 2026 findet zum 30. Mal der Internationale Automobil-Elektronik Kongress (AEK) statt. Dieser Netzwerkkongress ist bereits seit vielen Jahren der Treffpunkt für die Top-Entscheider der Elektro-/Elektronik-Branche und bringt nun zusätzlich die Automotive-Verantwortlichen und die relevanten High-Level-Manager der Tech-Industrie zusammen, um gemeinsam das ganzheitliche Kundenerlebnis zu ermöglichen, das für die Fahrzeuge der Zukunft benötigt wird. Trotz dieser stark zunehmenden Internationalisierung wird der Automobil-Elektronik Kongress von den Teilnehmern immer noch als eine Art "automobiles Familientreffen" bezeichnet.
Es gibt viele Arten von Leistungsmodulen, die eine DC/DC-Wandlung mit hoher Leistungsdichte bieten, und einige, die über integrierte Magnete verfügen. Für hohe Spannungen (bis 920 VDC) ausgelegte BCMs (DC/DC-Bus-Wandlermodule mit festem Verhältnis) sind galvanisch isoliert (4242 V ist typisch und ein Umwandlungsverhältnis von K = 1/8 ergibt beispielsweise 50 VOUT aus 400 VIN und ein K = 1/16 ergibt 50 VOUT aus 800 VIN).
NBMs (nicht isolierte fixed-ratio Niederspannungs-Buswandler) sind ebenfalls erhältlich (K = 1/4 ergibt 12 V aus 48 VIN) und ermöglichen die Überbrückungsfunktion zwischen 48V- und 12V-PDNs. Geregelte DC/DC-Wandler sind ebenso verfügbar. Ein Beispiel für einen geregelten fixed-ratio Wandler ist der DCM3735, ein 2kW-, 160A-, 48V- zu-12V-Wandler, wie unten dargestellt.
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Entwickler von Stromversorgungen können die Vorteile dieser Leistungsmodule nutzen, indem sie höhere Systembus-Verteilungsspannungen verwenden, die einen geringeren Strom benötigen, um die gleiche Leistung zu liefern. Für OEMs kann diese Folge des Ohm'schen Gesetzes zu einer besseren elektrischen, mechanischen und thermischen Leistungsfähigkeit, einer höheren Gesamtsystemeffizienz und erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen führen.
Ein Hauptmerkmal erstklassiger 48V-Leistungsmodule ist die hohe volumetrische Leistungsdichte (kontinuierliche Ausgangsleistung pro Kubikzoll oder W/in3), die durch innovative Schaltungsstrukturen und Topologien sowie durch moderne, thermisch und mechanisch optimierte Gehäuse erreicht wird. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Leistungsmodulen ist die Gehäusedicke, die bei modernen Produkten bis zu 7 mm betragen kann. Dünne Gehäuse ermöglichen einen geringeren Wärmewiderstand, und die dreidimensionale Galvanisierung (d. h. unten, oben und an den Seiten) bietet eine koplanare Wärmeleitschnittstelle, die sich perfekt für Kühlkörper und Coldplates eignet.
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Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Geräten und des steigenden Energiebedarfs werden Lösungen zur Flüssigkeitskühlung immer beliebter. Dieser Trend ist synergetisch mit vergossenen, flachen Leistungsmodulen mit hoher Leistungsdichte, die thermisch optimal ausgelegt sind (d. h. hohe Wärmeleitfähigkeit, gemessen in W/(m⋅K)). Entwickler sollten auch vergossene 48V-Leistungsmodule mit integrierter Magnetik in Betracht ziehen, da sie eine einfachere Möglichkeit bieten, eine ebene thermische Schnittstelle zwischen allen Verlustleistungs-Komponenten und Kühlkörpern, Heatpipes oder Coldplates zu schaffen.
Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist ein wichtiger Leistungsparameter. Bei hohen Ausgangsleistungen ist die Wärmebelastung durch Leistungsverluste beträchtlich, selbst wenn der kontinuierliche Wandlungswirkungsgrad hoch ist. Bei 2,4 kW (50 AOUT bei 48 VOUT) und einem Wirkungsgrad von 98% sind es beispielsweise immer noch 48 W Verlustleistung, die kontinuierlich thermisch verwaltet werden müssen. Daher sollten die Module einen sehr hohen DC/DC-Wandlungswirkungsgrad über die gesamte Betriebstemperatur hinweg bieten, um Lösungen für das Wärmemanagement zu vereinfachen.
Die für die Automobilindustrie geeigneten Leistungsmodule BCM6135, DMC3735 und PRM3735 von Vicor haben einen neuen Standard für die Leistungsdichte im Fahrzeugbereich gesetzt. Gemeinsam lösen sie komplexe Wandlungsherausforderungen mit 800V-, 400V-, 48V- und 12V-Systemen für xEV-Stromversorgungssysteme.(Bild: Vicor)
Vergossene Leistungsmodule sind auch mechanisch robust und thermisch besser geeignet, was die Herausforderung des Wärmemanagements erleichtert. Module, die vollständige DC/DC-Wandlerlösungen mit integrierter Magnetik bieten, minimieren auch die externe Schaltung und erleichtern die Systementwicklung. Für Systeme, die Industrie-, Militär- oder Automotive-Qualität erfordern, werden die Module vom Hersteller nach strengen elektrischen, mechanischen und Umweltstandards qualifiziert, einschließlich Temperaturwechsel-, Feuchtigkeits- und Stoß-/Vibrationstests. Sie werden automatisch (mit ATE) als komplettes System nach genau spezifizierten Leistungsgrenzen getestet. Dadurch entfällt für OEMs die Notwendigkeit, separate Qualifizierungs- und Leistungscharakterisierungstests durchzuführen.
Aus der Sicht des OEM sind Leistungsmodule ein einziger Stücklistenposten (BOM). Die Tatsache, dass das Modul aus Dutzenden von Komponenten besteht, ist für den Endkunden nicht ersichtlich. Im Gegensatz dazu besteht ein diskret aufgebautes Netzteil aus zahlreichen Bauteilen, die während der gesamten Lebensdauer des Geräts, das die Stromversorgung nutzt, gekauft, montiert, getestet und verwaltet werden müssen (aufgrund potenziell veralteter Produkte). Durch ein DC/DC-Wandlermodul auf Systemebene werden daher zahlreiche Fehlerquellen eliminiert, was die Qualität des Endprodukts erhöht. Der Beschaffungsaufwand und die Kosten für die Bestandsverwaltung von Leistungsmodulen sind deutlich geringer als bei Netzteilen mit einzelnen Komponenten. Damit lassen sich moderne Materialwissenschaft, neue Schaltungs- und Wandlerdesigns eines vertrauenswürdigen Lieferanten mit geringem oder gar keinem Lernaufwand zu nutzen.
Die Wärmetechnik moderner Elektroniksysteme ist zu einem wichtigen Designaspekt geworden. Diskrete Leistungsdesigns sind komplizierter aufgebaut und schwieriger zu kühlen als modulare Lösungen, die dünner und einheitlicher sind. Flache Gehäuse ermöglichen einen geringeren Wärmewiderstand, und die dreidimensionale Galvanisierung (unten, oben und an den Seiten) bietet eine koplanare Wärmeleitungsschnittstelle, die sich ideal für Kühlkörper und Coldplates eignet.(Bild: Vicor)
Schwerpunktthema: E-Mobility
(Bild: Adobe Stock, Hüthig)
In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.
Leistungsskalierung mit Leistungsmodulen
Um die Leistung zu skalieren und eine kürzere Entwicklungszeit zu erzielen, sollten Leistungsmodule in stromgeteilten parallelen Arrays arbeiten können. Wenn die Anforderungen an das Stromversorgungssystem steigen, lässt sich die Ausgangsleistung durch einfaches Umgestalten des Subsystems verdoppeln oder vervierfachen.
Ein wichtiges Merkmal moderner PDNs ist der umgekehrte (bidirektionale) Betrieb. Das klassische Beispiel ist das regenerative Bremsen von Elektrofahrzeugen, bei dem während des Bremsvorgangs Energie von den Wechselrichtern des Fahrmotors in die Batterie zurückgeführt wird. Der bidirektionale Betrieb kommt in vielen elektrifizierten Anwendungen vor. Die besten Leistungsmodule ihrer Klasse bieten entweder eine sofortige oder eine digital gesteuerte Rückwärtsstromumwandlung. BCMs und NBMs mit festem Übersetzungsverhältnis sind von sich aus bidirektional und ermöglichen zahlreiche Neuerungen.
In einigen Fällen sind die Module so konzipiert, dass sie eine Reihe von Normen erfüllen, darunter FCC/EU EMI (leitungsgebunden und abgestrahlt) sowie Sicherheits- und Umweltnormen, die von CE, ECHA RoHS, CSA, UKCA, TÜV und UL/IEC verwaltet werden. Isolierte Leistungsmodule für hohe Spannungen sollten auch die HIPOT-Sicherheitsprüfung (Hochspannungspotential) durchlaufen haben. Dies verringert die technischen Betriebskosten (die sonst häufig ausgelagert werden) und Investitionskosten für die entsprechenden Testgeräte. Zudem verringert sich das Risiko bei der Projektplanung. Darüber hinaus sind Produktsicherheitszertifizierungen auf Modulebene entscheidend, um behördliche Genehmigungen auf der Ebene der Subsysteme zu erhalten.
Ein vertrauenswürdiger Lieferant sollte umfassenden technischen Support und Begleitmaterial anbieten, u. a. vollständige Datenblätter, Anwendungshinweise, elektrische, mechanische und thermische 3D-Simulationsmodelle, Designleitfäden und Evaluierungsboards.
OEMs von BEVs und leichten Elektrofahrzeugen (LEVs) müssen kontinuierliche Leistungsverbesserungen im Vergleich zu ihren kraftstoffbetriebenen Vorgängern vorweisen, um weiterhin neue Kunden zu gewinnen. Fahrzeugbeschleunigung und Batterielebensdauer (Fahrzeugreichweite) sind kritische Leistungselemente, die oft die Kaufentscheidungen von EV-Kunden beeinflussen.
Geringe Größe und Gewicht, hohe volumetrische Leistungsdichte und einfache, kostengünstige, robuste passive Kühllösungen sind für OEMs entscheidend für das Verbrauchermarketing. Darüber hinaus ermöglichen PDNs auf Modulebene den Fahrzeugentwicklern, sich auf andere Aufgaben der Produktentwicklung zu konzentrieren – denn Module mit hoher Leistungsdichte können die Größen- und Gewichtsprobleme eines Designs lösen.
Das hervorragende Lastübergangsverhalten von Topologien wie dem SAC™-Sinus-Amplituden-Wandler von Vicor ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen in Elektrofahrzeugen, einschließlich aktiver Federung, Drive-/Steer-by-Wire, 12V-/48V-Batteriesysteme sowie das Eliminieren von Superkondensatoren.
Die Module bieten einen branchenführenden Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte und liefern selbst bei reduzierter Leistung für den Einsatz mit passiven Kühlkörpern (oder in einigen Anwendungen für die Fahrgestell- oder Karosseriemontage) eine hervorragende elektrische Leistungsfähigkeit.
Der robuste mechanische Aufbau der vergossenen Module eignet sich gut für die rauen Umgebungsbedingungen robuster elektrischer Wohnmobile.
Die Verwendung einer zonalen 48V-Architektur führt zu dünneren Kabeln im gesamten Fahrzeug, was erhebliche Gewichts- und Kosteneinsparungen mit sich bringt. Darüber hinaus lassen sich dünnere Stromverteilungskabel leichter verlegen, was Entwicklern von Fahrgestellen und Karosserien mehr Freiraum für dreidimensionale Designs gibt. Die geringere Verlustleistung der Kabel bei 48 V führt auch zu einer erhöhten Fahrzeugreichweite.
Der Aufbau von Elektrofahrzeugen geht rasch auf 48V-Verteiler mit 12V-Zonen für ältere Subsysteme über. Die globale Lieferkette der Automobilindustrie wird eine schnelle Kostenreduzierung der Komponenten dieser zonalen Architektur zum Vorteil der LEV-Entwickler vorantreiben.
Daher ist ein 48V-Modulanbieter zu erwägen, der Module in Automotive-Qualität mit APQP-Prozess und AEC-Q-100-Qualifikation anbietet. Diese Module sind auch für Entwickler von LEV-Plattformen verfügbar, falls diese Zuverlässigkeit auf AEC-Q-100-Niveau benötigen.
Vorqualifizierte Miniatur-Leistungsmodule bieten Vorteile gegenüber diskreten Designs. Leistungsmodule sind ein einziger Stücklistenartikel und eliminieren zahlreiche Fehlerquellen. Die Tatsache, dass sich im Inneren des Moduls Dutzende von Komponenten befinden, ist für den Endkunden nicht ersichtlich. Im Gegensatz dazu weist eine diskret aufgebaute Stromversorgung viele Komponenten auf, die gekauft, montiert, getestet und über die gesamte Lebensdauer des Geräts verwaltet werden müssen.(Bild: Vicor)
Fabrikautomatisierung profitiert von dünnerer Verkabelung
Industrieroboter entwickeln sich weiter und verfügen über autonome (ungebundene und batteriebetriebene) Fähigkeiten und integrierte genAI-Inferenzprozessoren.
Wichtig ist, dass die 48V-Verkabelung im Vergleich zur 12V-Verkabelung Gewicht und Kosten des Roboters spart und mechanisch viel einfacher zu verlegen ist, was für die Konstruktion von humanoiden Robotern, die relativ schlank sind, hilfreich ist. Einige mobile Industrieroboter sind recht klein, so dass kleine 48V-Module und dünnere Kabelbäume für diese Designs eindeutig von Vorteil sind.
Eine höhere volumetrische Leistungsdichte bedeutet ein geringeres Gewicht des Roboters bei gleicher Leistungsabgabe im Vergleich zu alternativen Lösungen mit geringerer Leistungsdichte. Damit verlängert sich die Betriebszeit zwischen den Batterieaufladungen, was ein entscheidender Kaufgrund für Endkunden ist.
Für autonome Fahrzeugroboter, einschließlich humanoider Roboter mit Gliedmaßen, ist ein wichtiges Kriterium für die Leistungsabgabe die „gewichtsbezogene Leistungsdichte“. Diese wird in Watt pro Gramm (W/g) Dauerleistung gemessen. Das Gewicht des Roboters bestimmt viele Leistungsaspekte angesichts der physikalischen Beschränkungen von Batteriegröße, Kosten und chemischer Leistungsdichte. Jede Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung ist wertvoll, einschließlich des Gewichts der 48V-DC/DC-Wandler zur Energieversorgung. Die für Roboterkonstruktionen vorgesehenen Wandler stellen mehr als 60 W/g bereit (2 kW bei 29 g) – ein solider Maßstab für Wandler mit geregeltem Ausgang.
Leistungsmodule beschleunigen die Einführung von 48V
Diese beiden Beispiele aus der Praxis veranschaulichen und unterstreichen die Vorteile, die 48V-Module (HVDC zu 48V und 48V zu 12V) mit hoher Leistungsdichte für ein breites Spektrum von Stromversorgungsdesigns in den Bereichen Industrie, Hochleistungsrechner, Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungstechnik sowie Fahrzeugbau bieten. Insgesamt sind die zahlreichen technischen, wirtschaftlichen und leistungsbezogenen Vorteile, die 48V-Versorgungsnetze für die Hardware-Designs der nächsten Generation ermöglichen, äußerst überzeugend.
Die Leistungsmodule von Vicor eignen sich für hohe Spannungen (800V/400V auf 48V bis 12V) zur zonalen Überbrückung sowie Niederspannungs- und Hochstrom-Point-of-Load-Lösungen, die alle modernen Hardware-Designanforderungen erfüllen. Mit dem branchenweit ersten ChiP™-Serienfertigungsprozess (Converter housed in Package) und einer vollständig vertikal integrierten und automatisierten Fertigung ist Vicor bereit und in der Lage, die heutigen Anforderungen an moderne 48V-Leistungsmodule zu erfüllen.
