Bus-Wandler Neues Gehäuse - 97,5 % Wirkungsgrad

Kritischer Faktor - verbesserte Gehäuseform
Kritischer Faktor - verbesserte Gehäuseform

Verbesserungen der Gehäuseform sind ein kritischer Faktor für die Eigenschaften eines Leistungskreises. Mit neuen thermomechanischen Designs lässt sich der Systemwirkungsgrad weiter steigern.

Die Gehäusebauformen für Leistungselektronik entwickelten sich vom einfachen Blechgehäuse hin zu modernsten Materialien und thermomechanischen Designs, von der eigenständigen Stromversorgung hin zum integrierten Power Management. Zu Beginn reduzierte sich die Systemgröße durch höhere Taktfrequenzen und die Miniaturisierung der Halbleiter. Die in letzter Zeit erzielten Verbesserungen basierten jedoch auch auf modernen thermomechanischen Designs, im Speziellen auf die Power-Management-Komponenten.

In den letzten Jahrzehnten gab es deutliche Fortschritte bei der Miniaturisierung von Halbleitern. Von 1982 bis 2012 reduzierten sich die kommerziellen Produktionsprozesse für die CMOS-Logik von 1,5 μm auf 22 nm (Bild 1). Dies bedeutet, dass sich die Funktionsdichte im Verhältnis 4600:1 erhöhte und sich damit auch das Design veränderte - nicht nur im Bereich der Datenverarbeitung und Speicherung, sondern im gesamten System.

Zu Beginn dieses Zeitraums boten typische Elektronikprodukte noch relativ wenig Funktionen und der Leistungsbedarf war moderat. Die Stromversorgung wurde mit diskreten Bauteilen aufgebaut und die Kühlung war sicherlich nicht optimal. Obwohl die Wirkungsgrade gemessen an den heutigen Werten niedrig waren, waren sie aufgrund der niedrigen Gesamtleistung und der Größe der Geräte ausreichend.

Eines der besten Beispiele dieser Designs, das auch heute noch im Einsatz ist, sind die sogenannten Silverbox-Netzgeräte für Desktop-Computer. So basiert z.B. eine 400-W-ATX12V-Stromversorgung zum Großteil auf diskreten Bauteilen (Bild 2).

Einzelne Kühlkörper sorgen für die Entwärmung der MOSFETs und Ausgangs-Gleichrichter. Das gesamte thermische Design hat damit Nachteile, die vor allem bei höheren Umgebungstemperaturen zum Tragen kommen. Bei einem typischen Wirkungsgrad von 80 % bedeutet die Baugröße von 138 × 86 × 140 mm3 eine Leistungsdichte von nur 0,24 W/cm3. ATX-Netzgeräte, welche die 80-Plus-Platinum-Kriterien erfüllen, können diese Werte auf 0,42 W/cm3 fast verdoppeln. Trotzdem sind diese Leistungsdichten immer noch ungenügend und daher nicht für Applikationen in Bürozentralen und Datenzentren geeignet.

Die fortschreitende Miniaturisierung der Halbleiter brachte auch Veränderungen bei der Architektur der Power-Subsysteme. ICs auf der Basis kleinerer Halbleiterprozesse haben auch niedrigere Versorgungsspannungen mit geringeren zulässigen Toleranzen. Die höhere Funktionsdichte erfordert steigende Versorgungsströme, wobei die sich stark ändernde dynamische Auslastung der Bausteine auch starke Lastschwankungen mit sich bringt. Unter diesen Bedingungen können Aufbauten, bei denen die Stromversorgung über lange Kupferleitungen mit der Last verbunden ist, nicht mehr die von kleinen ICs benötigten Eigenschaften erfüllen.

Die Brick-Lösung

Es gab eine Reihe von alternativen Strukturen, um die Leistungs-Subsysteme für verschiedene Lastanordnungen zu optimieren. So wurden z.B. in Systemen mit langer Betriebsdauer wie den Telekom-Linecards die ineffizienten, zentralen Stromversorgungen mit mehreren Ausgängen durch Distributed-Power-Architekturen ersetzt. Hierbei wurde mit redundanten Netzgeräten mit einer Ausgangsspannung von meist 48 V der Systembetrieb auch bei Netzausfall gewährleistet. Die Linecards selbst verfügen über DC/DC-Wandler, aus deren Ausgangsspannung verschiedene, nicht isolierte POL-Wandler (Point of Load) die individuell benötigten Lastspannungen erzeugen.

Hauptsächlich mit diskreten Bauelementen aufgebaute und luftgekühlte Systeme bieten für den Kühlluftstrom eine große Oberfläche und erzeugen dadurch Verwirbelungen, was wiederum zu nicht gekühlten Bereichen und Hotspots führen kann. Geschlossene Brick-Wandler nutzen ein Vergussmaterial, um ein thermisch ausgeglichenes Bauteil zu gewährleisten. Diese Vergussmasse erzeugt eine thermische Kopplung der Leistungsbauteile an eine Basisplatte aus Aluminium und damit eine einzige Oberfläche für die Entwärmung. Die Kühlung erfolgt durch Konvektion, Lüfter oder eine Kombination von beidem.

Die Basisplatte bietet eine große Kontaktfläche für die Montage eines Kühlkörpers. Dieses thermomechanische Design ermöglicht Ausgangsleistungen von 600 W in einem 117 × 55,9 × 26 mm3 großen Gesamtpaket inklusive des 12,7 mm hohen Kühlkörpers. Mit einer Leistungsdichte von 3,5 W/cm3 werden damit die Werte der geschlossenen Silverbox-Netzgeräte um das Zehnfache übertroffen.

Mit der steigenden Funktionsdichte entstanden aus dem Original-Brick relativ rasch kleinere Bauformen wie Half-, Quarter- und Eighth-Bricks und jede neue Generation bot noch höhere Leistungen. Die schrumpfende Baugröße dieser Wandler bedeutete aber auch eine Verkleinerung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche. Diese stellte höhere Anforderungen an das Systemdesign und brachte höhere Leistungs- und Funktionsdichten (Bild 3). Vor allem in Server-Farmen und Telekom-Hubs mit ständig steigenden Anforderungen an die maximal zulässigen Umgebungstemperaturen bedeutete dies eine enorme Herausforderung.