Weniger Verluste und höhere Betriebstemperatur bei DC/DC-Wandlern FORMELN

Weniger Verluste und höhere Betriebstemperatur bei DC/DC-Wandlern

Um den Wärmetransfer an die Umgebung zu erhöhen, wurde die Konstruktion des Gehäuses der eines Kühlkörpers angenähert. Das Gehäuse herkömmlicher Gleichspannungswandler wird üblicherweise aus dünnem, vernickeltem Kupfer gefertigt. Bei den Powerlineplus-DC/DC-Wandlern wird das Gehäuse aus gehärtetem, für die Luftfahrt zugelassenem Aluminium hergestellt. Die Aluminiumoberfläche ist bewusst rauh gestaltet, was zum einen die Wärmeabstrahlung verbessert, zum anderen innen eine bessere Verbindung mit der Vergussmasse eingeht und so den Wärmeübergangswiderstand reduziert. Die Gehäuseoberseite ist zusätzlich mit einer Vielzahl einzelner Kühlnoppen versehen, die dem Gehäuse die Funktion und das Aussehen eines integrierten Kühlkörpers geben. Auch die Bodenplatte der ICE-DC/DC-Wandler ist aus Aluminium gefertigt. Sie schirmt das Gehäuse hermetisch ab und dient zusammen mit den dicken Anschluss-Pins der Wärmeleitung in die Leiterplatte.

Konstruiert für extreme Temperaturen

Die maximale Betriebstemperatur einer elektronischen Schaltung wird durch die niedrigste obere Betriebstemperatur der verwendeten Bauteile definiert. Sind z.B. die Leistungs-FETs für +160 °C zugelassen, die Kondensatoren aber nur für +85 °C, so ist +85 °C die limitierende Temperatur. Für höhere Betriebstemperaturen sind so genannte „high grade temperature“-Komponenten nötig, die z.B. eine Gehäusetemperatur von +115 °C zulassen – ein Wert, der um rund 10 K bis 15 K höher liegt als die Industrienorm.

Ein weiterer limitierender Faktor ist der Transformator. Überschreitet die Umgebungstemperatur die Curie-Temperatur des Trafokerns, so verkleinert sich sprunghaft die Induktivität der Wicklungen. Dies hat zur Folge, dass – ohne entsprechende Schutzmaßnahmen – die Stromstärke und mit dem Quadrat der Stromstärke auch die Verlustleistung in der Primärspule stark ansteigen. Eine Leistungsübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite ist kaum mehr möglich.

Für die Powerlineplus-DC/DCWandler verwendet Recom „high grade temperature“-Komponenten und Trafokerne aus einem Ferrit, das für eine Gehäusetemperatur deutlich jenseits von +115 °C ausgelegt ist. Damit ist ein Betrieb der DC/DC-Wandler bei Umgebungstemperaturen bis +100 °C möglich (Bild 4) – und zwar ohne forcierte Kühlung und ohne die sonst übliche Leistungsreduktion (Derating).

Doch nicht nur das obere Limit der Betriebstemperatur ist ein entscheidendes Einsatzkriterium. Das Verhalten bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen wird von zwei charakteristischen Eigenschaften dominiert. Erstens hat der Verstärkungsfaktor bipolarer Transistoren eine Temperaturabhängigkeit von ca. 1 %/K. Bei –40 °C ist der Verstärkungsfaktor gegenüber Raumtemperatur um 60 % gesunken. Bipolare Transistoren kommen in Gleichspannungswandlern, in Optokopplern und in der Stromüberwachung zum Einsatz – in der Leistungsstufe und der Gleichrichtung arbeiten FETs. Dadurch betrifft die Temperaturabhängigkeit primär die Rückkopplung und den Oszillator-Anschwingkreis des DC/DCWandlers. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen kann es vorkommen, dass der Gleichspannungswandler nicht anschwingt.