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Patentierte A-SRB-Technik mit SiC/GaN-ähnlicher Performance

| Autor / Redakteur: Armin Derpmanns * / Gerd Kucera

Auch für die Zukunft hat Silizium genug Entwicklungspotenzial. Geschickte Schaltungstopologie erlaubt Designs mit weiter reduzierten Schaltverlusten. Die A-SRB-Technik von Toshiba ist dazu ein Beispiel.

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Bild 1: Heute findet man drei wesentliche USV-Technologien am Markt.
Bild 1: Heute findet man drei wesentliche USV-Technologien am Markt.
(Bild: Toshiba Electronics Europe)

Heute gibt es weltweit mehr Daten als jemals zuvor, und eines ist sicher: Die Datenmenge, die wir speichern, wird noch weiter zunehmen. Angesichts der Bedeutung dieser Daten für fast alle Aspekte unseres täglichen Lebens garantieren hochsichere Rechenzentren, dass diese Daten niemals verloren gehen und uns jederzeit zur Verfügung stehen, sobald wir sie benötigen.

Aufgrund der hohen Erwartung an die Datenverfügbarkeit werden Rechenzentren mit hoher Redundanz ausgestattet. Dieser Ansatz ist notwendig, führt jedoch zu höheren Kosten in einem Umfeld, in dem Massenspeicher zu gängiger Ware werden und die Preise sinken. Um dieses hohe Service-Niveau beizubehalten ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) erforderlich, die nicht nur für störungsfreien und korrekt aufbereiteten Strom sorgt, sondern auch die Betriebszeit bei Stromausfällen aufrechterhält.

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Da sich die Stromausfälle häufen, werden USVs zu unverzichtbaren Hilfsmitteln beim Aufrechterhalten der Datenverfügbarkeit. Es überrascht daher nicht, dass das Marktforschungsunternehmen MarketsandMarkets prognostiziert, dass der USV-Markt bis zum Jahr 2022 ein Volumen von 13,7 Mrd. US-$ erreicht und einige Märkte, wie der asiatisch-pazifische Raum, weiterhin um rund 7,2% pro Jahr wachsen werden.

Es können drei Haupttypen unterbrechungsfreier Stromversorgungen unterschieden werden: Offline, Line Interactive und Online Double Conversion. Bei allen diesen Systemen gibt es zwar technische und leistungsbezogene Unterschiede, sie müssen jedoch alle effizient sein, dies würde bedeuten eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) so nahe wie möglich an Faktor Eins heranzubringen und die bereitgestellte Spannung in erforderlicher Qualität bereitzustellen – und das stets zu geringsten Kosten.

Eine weitere Herausforderung für Entwickler ist der Platzbedarf der zu entwickelnden Lösung. Dieser ist in allen Rechenzentren knapp und die Betreiber versuchen, diesen so gut wie möglich mit gewinnbringendem Massenspeicher zu füllen. Dies führt zu höherer Popularität von modularen Rack-basierten USV-Systemen. Da die Gesamtleistung jedes Moduls viel geringer ist als die des gesamten USV-Systems, bietet der modulare Rack-Aufbau für Entwickler mehr Flexibilität und Skalierbarkeit.

Eine Verkleinerung eines USV-Systems bei gleichbleibender (oder sogar höherer) Leistungsabgabe hat erhebliche Auswirkungen auf die zu erreichende Leistungsdichte. Diese Herausforderung wird immer anspruchsvoller, da kleinere Designs weniger Platz für das Wärmemanagement wie Kühlkörper bieten. Häufig ist eine aktive Kühlung mit Lüftern erforderlich, die aber den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigen, da sie Strom verbrauchen.

Auch wenn ein hoher Wirkungsgrad wohl das wichtigste Ziel ist, um die Betriebskosten in Grenzen zu halten, beeinflusst die Blindleistungskompensation die Kosten ebenfalls in einem nicht unerheblichen Ausmaß. Zudem kann eine schlecht ausgelegte USV unerwünschte Spannungsoberwellen in das Stromnetz einspeisen und sich negativ auf den Betrieb wichtiger Datenverarbeitungs- und Massenspeichersysteme auswirken.

Die USV-Leistungsfähigkeit durch A-SRB erhöhen

Ein erheblicher Leistungssprung ist zu erwarten, sobald Wide-Bandgap-Lösungen wie GaN- und SiC-Halbleiterbauelemente mit konkurrenzfähiger Ausbeute, Zuverlässigkeit und Preisen zur Verfügung stehen. Bis dahin arbeiten Entwickler weiterhin an schrittweisen Leistungsverbesserungen mit bestehenden siliziumbasierten MOSFETs.

Toshiba hat eine Technik patentieren lassen, die viel Aufmerksamkeit auf sich zieht, da sie mit vorhandenen siliziumbasierten Superjunction-MOSFETs Leistungswerte erzielt, die denen von Wide-Bandgap-Lösungen sehr nahe kommen.

Am Beispiel einer Halbbrücken-Topologie, die häufig in USV-Systemen benutzt wird, kann man demonstrieren, wie erhebliche Schaltverluste durch Erhöhung der Schaltfrequenz zustande kommen. Deren zwei wesentliche Ursachen sind: Erstens verursacht die in der Freilaufdiode gespeicherte Sperrverzögerungsladung (Qrr) beim Übergang in den leitenden Zustand eine Stromspitze im unteren Transistor. Zweitens tritt eine Ladestromspitze während der Umkehrung der Ausgangskapazität (COSS) des oberen Schalttransistors auf.

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