Leistungswandler Das Gehäuse entscheidet

Die Gehäusebauformen für Leistungskreise haben sich vom einfachen Blechgehäuse hin zu modernsten Materialien und thermomechanischen Designs und von der eigenständigen Stromversorgung hin zum integrierten Powermanagement entwickelt.

Zu Beginn der 1980er-Jahre boten typische Elektronikprodukte noch relativ wenig Funktionen, und deren Leistungsbedarf war moderat. Die Stromversorgung bestand aus diskreten Bauteilen, und die Entwärmung war sicherlich nicht optimal. Obwohl die Wirkungsgrade gemessen an den heutigen Werten niedrig waren, genügten sie trotzdem wegen der niedrigen Gesamtleistung und der Größe der Systeme

Der Bedarf an verbesserten thermischen Eigenschaften war verantwortlich für die Einführung von vergossenen Brick-Wandlern, um ein thermisch ausgeglichenes Bauteil zu erhalten. Diese Vergussmasse koppelt die Leistungsbauteile thermisch an eine Grundplatte aus Aluminium an, so entsteht eine einzige Oberfläche für die Entwärmung. Daher kann die Kühlung durch Konvektion, Lüfter oder eine Kombination von beidem erfolgen.

So groß der Fortschritt mit der Brick-Technologie auch war und trotz der wegen der Einfachheit immer noch wichtigen Rolle der Bricks in vielen Designs, kamen aus der Industrie die Forderungen nach noch leistungsstärkeren und kleineren Powermanagement-Bauteilen, die jenseits der Möglichkeiten der nur einseitig gekühlten Komponenten liegen. Ein Beispiel dieser neuen Bauformen mit verbesserten Leistungseigenschaften ist die »ChiP«-Technik (Converter housed in Package) von Vicor. ChiP-basierte Bauteile sind symmetrisch aufgebaut, wodurch die verlustbehafteten Komponenten auf beiden Seiten der zentralen Leiterplatte sitzen. Eine thermisch leitende Vergussmasse verteilt die Verlustwärme auf die Ober- sowie Unterseite, wodurch sich die Kühlfläche in Bezug auf die Bauteilgröße effektiv verdoppelt (Bild 1). Durch entsprechendes Layout kann Wärme auch noch zusätzlich über die Pins auf die Platine abgeführt werden.

Dreidimensionale Entwärmung

Diese modernen Bauformen bieten eine dreidimensionale Entwärmung sowohl bei SMD- als auch Durchsteckmontage. Die bereits integrierten induktiven Bauteile ermöglichen einen Aufbau mit nur wenigen externen Komponenten, was zu Einsparungen bei der Entwicklungszeit, dem benötigten Platz auf der Leiterplatte und bei der Produktion führt.

Die Vergussmasse die Verlustwärme nicht nur effizient weiter, sondern isoliert die Stromversorgung, sodass sie den Ansprüchen der Powermanagement-Applikationen sowie den internationalen Sicherheitsnormen entspricht. Mit der gleichen Bauform lässt sich ein weites Feld von Powermanagement-Applikationen abdecken. Dies umfasst AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur, isolierte Buswandler, Tief- und Hochsetzsteller wie auch Buck/Boost- und PoL-Wandler. Eine einzige Bauformtechnik, die sich für alle Anforderungen im Bereich Powermanagement vom Netzeingang bis hin zur Last eignet, vereinfacht durch einheitliche Bauformen und thermisches Verhalten auch das thermomechanische Design.

Eigenschaften und Baugrößen variieren stark zwischen den verschiedenen Herstellern, sodass eine genaue Betrachtung der Möglichkeiten angeraten ist. Im Fall der Vicor-Bauteile auf Basis der ChiP-Technik werden Bau¬höhen von 4,7 mm und Grundflächen von 6 mm x 23 mm bis 61 mm x 23 mm angeboten, wobei das Angebot noch wächst. Ströme bis 180 A sind möglich, die Betriebsspannungen reichen bis 430 V, Tendenz steigend.

Die Vorteile der ChiP-Plattform lassen sich anhand einer neuen Klasse von einstufigen Leistungswandlern aufzeigen. Die »DCM«-Module (DC/DC Converter Module) erfüllen die Anforderungen in Bezug auf Isolation und Regelung in vielen Applikationen, die hohe Ansprüche an die Baugröße und Leistungsdichte konventioneller Wandler und mehrstufiger Lösungen stellen.

Die ersten Module sind erhältlich in kleinen »3623«- und »4623«-ChiP-Gehäusen mit Durschsteck-Pins und sind daher interessant für Systeme, die den verfügbaren Platz maximal ausnutzen müssen. Der Typ 4623 erreicht eine Leistungsdichte von 76 W/cm³ bei einer Bauhöhe von 7,3 mm. Das Modul liefert 600 W bei Eingangsspannungen von 200 V bis 378 V und 500 W bei einem erweiterten Eingangsspannungsbereich von 160 V bis 420 V. Entwickelt für Elektro- und Hybridfahrzeuge mit Hochvolt-Li-Ionen-Batterien, besitzt das Bauteil eine Isolationsbarriere von 4,2 kV zwischen der Hochspannungsbatterie und der 13,8-V-Sicherheitskleinspannung im Bordnetz des Fahrzeugs. Für Anwendungen außerhalb des Auto¬mobilmarktes kann die nominale Spannung von 13,8 V auf Werte von 11,5 V bis 15,5 V getrimmt werden.

Stromversorgungssysteme basierend auf den DCMs benötigen nur ein Minimum an externen Komponenten. So bildet beispielsweise eine Kombination von vier Wandlern eine kompakte 2-kW-Stromversorgung mit einer nominalen Ausgangsspannung von 13,8 V und einem erweiterten Eingangsspannungsbereich (Bild 2). Bis zu acht Module lassen sich ohne Leistungsreduzierung zusammenschalten. Module in solchen Arrays nutzen für eine automatische Lastaufteilung eine geneigte Kennlinie am Ausgang, auch dies mit wenigen externen Komponenten. Für Applikationen mit einer großen Schwankung des Laststromes im Betrieb ist es mit einfachen Steuerschaltungen möglich, die verschiedenen Wandler zu- oder abzuschalten. Damit flacht die Wirkungsgradkurve ab, die normalerweise bei allen Stromversorgungen bei kleiner Last abzusinken beginnt. So kann etwa die Eco-Array-Schaltung, eine mit Hysterese versehene Kontrollschaltung, die Wirkungsgradschwankung einer Stromversorgung basierend auf den DCMs innerhalb von 1% des maximalen Wirkungsgrades halten, und dies über einen Lastbereich von 270 W bis 4,8 kW.

Anwendungen außerhalb des Automobilsektors können ebenfalls von ähnlichen Parallelschaltungen der Ausgänge profitieren, um redundante Stromversorgungen mit separaten oder zusammengefassten Eingangsquellen innerhalb einer Untergruppe zu realisieren. Diese Architekturen erlauben es den Modulen, von verschiedenen Energiequellen und Versorgungsspannungen gespeist zu werden. Diese Option ist vor allem für Industrieanwendungen wichtig, die kontrollierte Abschaltsequenzen fordern, um sicher und definiert auf einen Netzausfall zu reagieren.

Das DCM-ChiP-Gehäuse bietet genau definierte thermische Eigenschaften (Bild 3). Für Applikationen, bei denen die Kombination von Betriebstemperatur und benötigter Ausgangsleistung die Möglichkeiten einer Kühlung des Gehäuses nur auf der Oberseite überschreitet, kann der Entwickler entweder mehrere DCMs parallelschalten oder die Option einer verbesserten Kühlung erwägen.

Über den Autor:

Gary Gill ist Director der VI Chip Produktlinie bei Vicor.