Wärme als Messgröße für Leistung Verlustleistg. therm. beanspr. Bauteile von DC/DC-Wandlern messen

Der Wirkungsgrad und die Verlustleistung von DC/DC-Wandlern sind wichtige Kenndaten vieler elektronischer Systeme. Sie lassen sich relativ einfach messen. Leider enthalten diese Werte keine Angaben darüber, wie viel Wärme ein einzelnes Bauteil produziert. Die Thermographie kann diese Info liefern.

Die dominierenden Wärmequellen in einem Abwärtswandler sind die beiden MOSFETs und die Induktivität. Um die Verlustleistung des MOSFET an der Versorgungsleitung mittels elektrischer Messungen zu ermitteln, sind der Drain-Strom, die Drain-Source-Spannung, der Gate-Strom und die Gate-Source- Spannung zu messen.

Bei HF-DC/DCWandlern lassen sich diese Werte nur sehr schwer ermitteln, ohne eine zusätzliche Induktivität in den Strompfad einzubringen. Und diese vom Messaufbau herrührende Induktivität beeinflusst das Verhalten der Schaltung. Hier bietet sich die Thermographie als rückwirkungsfreie Messmethode an: Mit ihr lassen sich die Verlustleistungen der einzelnen Wärmequellen mithilfe einer Wärmebildkamera bestimmen, ohne in die Schaltung eingreifen zu müssen.

Aus der Distanz messen

Ein Bauteil in einer elektrischen Schaltung, das elektrische in thermische Energie umwandelt, ist eine Wärmequelle. Durch die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme erhöht sich die Temperatur des betreffenden Bauteils und seiner Umgebung. Die Menge der in Wärme umgewandelten Energie entspricht der Verlustleistung des Bauteils.

Die Höhe des Temperaturanstiegs (ΔT) hängt von der Verlustleistung (P) und der Umgebung ab. Bei einer Baugruppe, die auf einem Prüfstand mit gleichbleibenden Eigenschaften getestet wird, resultiert ΔT ausschließlich aus der Verlustleistung. Damit lassen sich aus den ΔT-Messwerten die Verlustleistungen der verschiedenen Wärmequellen berechnen.

Zunächst wird vereinfachend angenommen, dass die Baugruppe zwei Wärmequellen W1 und W2 enthalte. Durch die Verlustleistung von W1 erhöht sich nicht nur deren eigene Oberflächentemperatur, sondern auch die Oberflächentemperatur von W2 und umgekehrt. Daher lässt sich ΔT für jede dieser Wärmequellen durch die folgende Gleichung beschreiben:

(1)                                    open square brackets table row cell capital delta T subscript 1 end cell row cell capital delta T subscript 2 end cell end table close square brackets equals open square brackets table row cell S subscript 11 end cell cell S subscript 12 end cell row cell S subscript 21 end cell cell S subscript 22 end cell end table close square brackets cross times open square brackets table row cell P subscript 1 end cell row cell P subscript 2 end cell end table close square brackets

Hierbei sind Sij (i, j = 1, 2) Koeffizienten für die Wärmempfindlichkeit. Die Maßeinheit ist dieselbe wie beim Wärmewiderstand. Pi ist die Verlustleistung der einzelnen Wärmequellen. Gleichung (1) lässt sich auf eine beliebige Anzahl (N) von Wärmequellen erweitern, wobei S eine N×N-Matrix ist:

(2)                                                open square brackets table row cell capital delta T subscript 1 end cell row cell capital delta T subscript 2 end cell row cell... end cell row cell capital delta T subscript N end cell end table close square brackets equals S cross times open square brackets table row cell P subscript 1 end cell row cell P subscript 2 end cell row cell... end cell row cell P subscript N end cell end table close square brackets

Ist der Wert von S bekannt, können die Verlustleistungen der einzelnen Wärmequellen nach der folgenden Gleichung berechnet werden:

(3)                                                open square brackets table row cell P subscript 1 end cell row cell P subscript 2 end cell row cell... end cell row cell P subscript N end cell end table close square brackets equals S to the power of negative 1 end exponent cross times open square brackets table row cell capital delta T subscript 1 end cell row cell capital delta T subscript 2 end cell row cell... end cell row cell capital delta T subscript N end cell end table close square brackets

Unter der Voraussetzung, dass Sij unabhängig von der Temperatur oder der Funktionsweise der Schaltung ist, lassen sich die Sij-Werte nach der folgenden Gleichung bestimmen:

(4)                                                       S subscript ij equals fraction numerator P subscript j over denominator capital delta T subscript i end fraction

Hierbei stehen ΔTi für den Temperaturanstieg der Wärmequelle Wi und Pj für die Verlustleistung der Wärmequelle Wj. Mit Ausnahme der zu analysierenden Wärmequellen müssen alle anderen Bauteile bei den Messungen inaktiv sein.

Um die Koeffizienten für die Wärmeempfindlichkeit rückwirkungsfrei messen zu können, wird jeweils eine der Wärmequellen durch einen erzwungenen Gleichstrom erwärmt. Dieses Verfahren ist nacheinander auf die verschiedenen Wärmequellen eines DC/ DC-Wandlers anzuwenden – IC, MOSFET und Induktivität – und jeweils die elektrische Leistung Pj zu messen. Zugleich werden mittels Wärmebildkamera die Änderungen der Oberflächentemperaturen ΔTi gemessen (siehe Bild 1). Sij lässt sich dann anhand Gleichung (4) berechnen.

Mit diesem neuen Verfahren wurden beispielhaft die Verlustleistungen der wichtigsten Wärmequellen zweier verschiedener Abwärtswandlerschaltungen ermittelt. Einmal für einen integrierten Gleichspannungswandler auf Basis des DrMOS-ICs SiC739D8 und zum andern für einen diskret aufgebauten DC/DC-Wandler mit zwei MOSFETs, dem Si7382DP (spannungsseitig) und dem Si7192DP (masseseitig).