Schwerpunkte

Steigerung der Leistungsdichte

Bis ans Limit und weiter

26. Oktober 2020, 09:36 Uhr   |  Autoren: Dr. Jeffrey Morroni und Dr. Pradeep Shenoy; Redaktion: Ute Häußler

Bis ans Limit und weiter
© Texas Instruments

Platz für die Stromversorgung ist knapp, mit weniger Ressourcen muss immer mehr Leistung gebracht werden. Welche Grenzen hat die Leistungsdichte bei steigender Miniaturisierung? Vor welchen Zielkonflikten stehen Power-Entwickler? Neue Techniken helfen, die geltenden Beschränkungen zu überwinden.

Die stetige Steigerung der Leistungsdichte ist schon seit Jahrzehnten Status und Trend in der Industrie und wird Prognosen zufolge weiter anhalten. Bild 1 gibt die Verringerung der Wandlerabmessungen über die Zeit für Power-Module mit 6 A und 10 A Laststrom wieder. Technologische Fortschritte können zu sprunghaften Verbesserungen der Abmessungen oder der Ausgangsleistung führen. Jede durchgezogene Linie steht für eine neue Technologiegeneration und gibt die jeweiligen Steigerungen der Leistungsdichte wieder.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 1. Größenreduzierung von Power-Modulen durch Einführung neuer Technologiegenerationen.

War Anfang der 1990er-Jahre noch ein Platzbedarf von 10.000 mm³ für ein Ampere normal, sollen 2025 unter 5 mm³ ausreichen. Verbesserungen der Leistungsdichte gehen häufig mit Entwicklungen beim Wirkungsgrad oder den Kosten einher. Grundlegende Verbesserungen der Effizienz, also des Wirkungsgrads der Leistungswandlung, führen zu einem kleineren Formfaktor. Diese Größenreduzierungen haben ihrerseits Folgewirkungen und führen zu Kostensenkungen durch den geringeren Bedarf an Material und Bauelementen, besseren Kostenstrukturen, einen höheren Integrationsgrad und niedrigere Gesamtkosten.

Was ist unter Leistungsdichte zu verstehen?

Die Leistungsdichte ist ein Maß dafür, wieviel Leistung in einem bestimmten Volumen verarbeitet werden kann. Quantifiziert wird sie durch die Leistung, dividiert durch das Volumen, mit der Einheit Watt pro Kubikmeter (W/m³) oder Watt pro Kubikzoll (W/in³). Diese Angaben basieren auf der Nennleistung und der Länge, Breite und Höhe der Stromversorgung mit all ihren Bauteilen.

Auch wenn die Leistungsdichte abhängig von der Anwendung aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet werden kann, lässt sich durch Verringern der Abmessungen immer eine höhere Leistungsdichte erreichen. Die Frage ist, wie diese Verbesserung erzielt wird.

Was begrenzt die Leistungsdichte?

Ingenieure und Forscher suchen mit großer Intensität nach immer weiteren Möglichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte. Meist richtete sich das Hauptaugenmerk darauf, die Größe der an der Energieumwandlung beteiligten passiven Bauelemente zu reduzieren. Tatsächlich nehmen Induktivitäten, Kondensatoren, Transformatoren und Kühlkörper viel Bauraum ein. Die Schalthalbleiter und Regelungsschaltungen sind dagegen höher integriert und somit deutlich kleiner.

Wie kann die Größe passiver Bauelemente verringert werden? Eine einfache Möglichkeit ist es, die Schaltfrequenz anzuheben. In jedem einzelnen Schaltzyklus speichern die passiven Bauelemente in geschalteten Wandlern Energie und geben sie anschließend wieder ab. Erhöht man die Schaltfrequenz, muss in jedem Zyklus weniger Energie gespeichert werden. Selbst wenn sämtliche passiven Bauelemente eines Leistungswandlers soweit verkleinert würden, dass ihre Größe nicht mehr ins Gewicht fällt, gäbe es nach wie vor Möglichkeiten, den Bauraum noch weiter verringern. Zahlreiche weitere Komponenten belegen viel wertvollen Platz.

Schaltverluste begrenzen die Leistungsdichte

Obwohl sich die Leistungsdichte durch eine höhere Schaltfrequenz verbessern lässt, hat es gute Gründe, dass heutige Schaltwandler höchstens im Megahertz-Bereich schalten. Das Anheben der Schaltfrequenz hat den Nebeneffekt, dass die Schaltverluste zunehmen und zu einem Temperaturanstieg führen. Am Beispiel eines Abwärtswandlers werden die wichtigsten einschränkenden Faktoren im Zusammenhang mit den einzelnen Verlustkomponenten erläutert.

Ladungsverluste

In allen hart schaltenden Gleichspannungswandlern wird ein gewisses Maß an Energie zum Laden und Entladen der parasitären Kapazitäten im System benötigt. Für eine bestimmte Schaltertechnologie und Nennspannung lassen sich diese Verluste mit den Termen 1 und 2 abschätzen. Drain-Ladung:

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Darin steht CDS für die Drain-Source-Ladung des MOSFET, UDS für die Drain-Source-Spannung des MOSFET, fs für die Schaltfrequenz, QG für die Gate-Ladung und UG für die Gate-Source-Spannung.

Die beiden Gleichungen zeigen, dass sich diese Verluste hauptsächlich durch Herabsetzen der Schaltfrequenz (was nicht wünschenswert ist), durch Verbessern der ladungs­bezogenen FoMs (Figure of Merit ) des MOSFET (QG und CDS)
oder durch Abwägung zwischen Leitungs- und Schalt­verlusten reduzieren lassen.

Verluste durch Sperrverzögerung

In einem Abwärtswandler kommt es zu einer Sperrverzögerung, wenn der high-seitige MOSFET einschaltet, während durch die Body-Diode des low-seitigen MOSFET ein Strom fließt und der Strom in der low-seitigen Diode gezwungen wird, rasch auf den high-seitigen MOSFET überzugehen. Im Zuge dieses Übergangs wird ein Strom benötigt, um die Minoritätsträger der low-seitigen Diode auszuräumen, was unmittelbar zu einem Schaltverlust führt. Siehe hierzu Term 3:

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Eine der besten Möglichkeiten, die Auswirkungen der Dioden-Sperrverzögerung einzudämmen, ist es, die gespeicherte Ladungsmenge mithilfe eines optimierten MOSFET-Designs zu verringern oder die Totzeit der steigenden Flanke zu
eliminieren, wodurch die Auswirkungen des Verlusts komplett wegfallen würden.

Ein- und Abschaltverluste

Parasitäre Induktivitäten in der Schleife können eine ganze Reihe Schaltverluste erzeugen, die den Wirkungsgrad einschneidend schmälern. Verdeutlichen lässt sich dies wiederum an einem Abwärtswandler, durch dessen high-seitigen MOSFET der Spulenstrom fließt. Beim Abschalten des high-seitigen Schalters wird der Strom durch die parasitäre Induktivität unterbrochen. Die Stromflanke (di/dt) erzeugt zusammen mit der parasitären Induktivität der Schleife eine Spannungsspitze. Je steiler die Stromflanke ist, umso geringer sind die Schaltverluste, aber umso größer wird die
Spannungsbelastung des Bauelements.

Thermische Eigenschaften beschränken Leistungsdichte

Je besser der Baustein die entstehende Wärme abführt, umso mehr Verluste können tolerieren werden, ohne dass die Temperatur übermäßig ansteigt. Das Ziel der thermischen Optimierung eines Gehäuses und einer Leiterplatte ist immer, eine durch Wandlerverluste entstehende Temperaturerhöhung zu verringern.

Aufgrund des fortschreitenden Trends zur Miniaturisierung und Kostensenkung sind die Abmessungen von Gleichspannungswandlern insgesamt geschrumpft. Da kleinere Halbleiter- und Gehäuseabmessungen im Normalfall eine Verschlechterung der thermischen Eigenschaften nach sich ziehen, wurde die Wärmeableitung eine immer größere Herausforderung. Werden die Gehäuseabmessungen, die Chipgröße und die allgemeine Leistungsdichte verbessert, verschlechtern sich die zu erwartenden thermischen Eigenschaften rapide. Es sei denn, Entwickler setzen vorrangig auf Innovationen bei den thermischen Eigenschaften des Gehäuses (Abführen der Wärme) und die Senkung der Verluste (Erzeugung von weniger Wärme).

Einschränkungen überwinden

Schon durch Fokussierung auf nur einen der angeführten Schlüsselaspekte ist es möglich, die Leistungsdichte zu verbessern. Um allerdings herausragende Leistungsdichten zu erzielen, müssen alle Faktoren zugleich angegangen werden: die Senkung der Schaltverluste, die Verbesserung der thermischen Eigenschaften des Gehäuses, der Einsatz innovativer Topologien und Schaltungen sowie nicht zuletzt die Steigerung des Integrationsgrads.

Innovationen bei den Schaltverlusten

Zweifellos sind Innovationen in der Halbleitertechnologie nötig, um Bauelemente mit ausgezeichneter Leistungsfähigkeit und hervorragenden FoMs hervorzubringen. Dabei kann es sich im Einzelnen um Verbesserungen bestehen­der Technologien oder die Entwicklung neuer, leistungs­fähigerer Werkstoffe handeln, wie beispielsweise die Galliumnitrid-Technologie (GaN) für Schaltanwendungen mit höheren Spannungen.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 2. Klassische versus neue Prozesstechnologie – Vergleich des Wirkungsgrads zweier Abwärtswandler von 3,3 V auf 1,8 V.

Bild 2 vergleicht zwei mit verschiedenen Prozesstechnologien implementierte Abwärtswandler zur Umwandlung von 3,3 V in 1,8 V, als Referenz dienen Bausteine von Texas Instruments. Der TPS54319 basiert auf einem herkömmlichen Prozessknoten von TI, der TPS62088 dagegen auf dem aktuellsten Prozessknoten mit niedrigeren RQ-FoMs. Wie die Wirkungsgradkurve zeigt, kommt der TPS62088 auf eine Schaltfrequenz von 4 MHz, während der TPS54319 mit nur 2 MHz schaltet, aber praktisch denselben Wirkungsgrad erreicht. Die Abmessungen der externen Induktivität können hierdurch halbiert werden Da der neue Prozessknoten überdies eine deutliche Rsp-Reduzierung ermöglicht, kann die Gesamtgröße des Gehäuses von 4 mm² auf 0,96 mm² zurückgehen, was nur noch einem Viertel der ursprüng­lichen Größe entspricht.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 3. Vergleich der Schaltenergie für GaN-, SiC- und Superjunction-Silizium-Schaltertechnologien an einem 400-V-Bus.

GaN bietet eine einzigartige Kombination aus fehlender Sperrverzögerung, geringer Ausgangsladung und hoher Anstiegsgeschwindigkeit, was neue Totem-Pole-Topologien wie etwa die brückenlose Leistungsfaktor-Korrektur möglich macht. Diese Topologien zeichnen sich durch bessere Wirkungsgrad- und Leistungsdichte-Werte aus, die mit
Silizium-MOSFETs unerreichbar sind. Bild 3 zeigt einen direkten Vergleich der GaN-Technologie bei 400 V mit einigen der branchenweit besten Siliziumkarbid- (SiC) und Superjunction-Siliziumbausteinen. Die GaN-Technologie kommt auf deutlich niedrigere Verluste und ist damit für höhere Schaltfrequenzen geeignet.

Gehäusetechnik

Wie gut sich die Wärme aus einem IC-Gehäuse abführen lässt, hat direkten Einfluss auf die erzielbare Leistungsdichte. Dies ist ein gravierendes Problem immer kleiner werdender Gehäuse. Hinzu kommt, dass es in einem typischen Leistungswandler häufig die Halbleiterbausteine sind, die die höchsten Temperaturen erreichen – besonders wenn Rsp rapide abnimmt.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 4. In herkömmlichen QFN-Gehäusen dienen Bonddrähte zur elektrischen Anbindung des Chips (links). Bei HotRod-Gehäusen erfolgt die Verbindung zwischen Leadframe und Chip dagegen nach dem Flip-Chip-Prinzip.

Neuartige Gehäuse in Flip-Chip-Bauweise lösen etwa die typischen, auf Bonddrähten basierenden QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) ab. Bild 4 veranschaulicht, wie ein HotRod QFN von TI ohne Bonddrähte auskommt, während ein QFN-ähnlicher Footprint beibehalten wird. Dies er­gibt die für Flip-Chip-Gehäuse typische, deutliche Re­­duzierung der parasitären Induktivität, während viele vorteilhafte thermische Eigenschaften der QFN-Gehäuse erhalten bleiben.

Ein Problem der HotRod-Gehäuse ist allerdings die schwie­rigere Herstellung größerer Die-Attach-Pads (DAPs), die normalerweise einen sehr günstigen Einfluss auf die ther­mischen Eigenschaften eines Gehäuses haben. Mittlerweile gibt es auch hier Verbesserungen an den HotRod-QFN-Gehäusen, welche dessen Vorteile wahren und gleichzeitig den Weg zu Gehäusen mit großen DAPs ebnen.

Bild 5 zeigt diese technologischen Verbesserungen. Der Footprint erlaubt ein großes DAP in der Mitte des Gehäuses, welches gegenüber den bisherigen Generationen 15 Prozent weniger Temperaturanstieg bringt.

Innovationen beim Schaltungsdesign

 Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 5. Verbessertes HotRod-QFN-Gehäuse mit großem DAP zur Optimierung der thermischen Eigenschaften.

Zusätzlich zu einer verbesserten Gate-Treibertechnologie gibt es umfangreiche Möglichkeiten, die Leistungsdichte durch Neuerungen an der Topologie zu verbessern.

In Bild 6 ist eine FC4L-Wandlertopologie (Flying Capacitor Four-Level) dargestellt, die eine Reihe entscheidender Verbesserungen der Leistungsdichte möglich macht. Dazu gehören bessere FoMs durch niedrigere Nennspannungen, kleinere magnetische Filter und eine bessere Wärmeverteilung. Diese Verbesserungen führen zu der in Bild 7 dargestellten höheren Leistungsdichte. Verglichen mit anderen Topologien auf der Basis von SiC, ergibt die Verwendung dieser speziellen Topologie eine erhebliche Volumenreduzierung, kombiniert mit den Vorteilen von GaN und hochentwickelten Gehäuse­technologien.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 6. FC4L-Wandlertopologie mit GaN-Schaltern.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 7. Gegenüberstellung des Volumens verschiedener Topologien und Schaltertypen. Die FC4L-Lösung von TI kommt auf die höchste Leistungsdichte.

Die Integration verbessern

Kosteneffektive Integration verringert die Parasitics, reduziert den Bauteileaufwand, ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad und spart Platz. Die Integration bezieht sich auf mehrere Aspekte des Power-Managements. Es kann darum gehen, mehr Schaltungen in einem IC unterzubringen, mehr Bauteile in ein Gehäuse einzubauen oder mit weiteren physischen oder mechanischen Methoden mehr Funktionen in eine Stromversorgungslösung zu packen. Beispiele für herausragende Technologien sind hier GaN-FETs mit integrierten Treibern, die Integration von Kondensatoren zur Senkung der kritischen Schleifeninduktivität sowie das dreidimensionale Stapeln passiver Bauelemente.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 8. Treiber-, Schutz- und Überwachungsfunktionen sind zusammen mit dem GaN-Schalter in den LMG3410 integriert.

Die Integration von Gate-Treibern in Leistungs-FETs hat viele Vorteile. Die geringere Induktivität der Gate-Treiberschleife macht höhere Schaltgeschwindigkeiten, einen robusteren Betrieb und die Verwendung von weniger Bauteilen möglich. Insbesondere GaN-FETs profitieren hiervon. Bauelemente wie TI‘s LMG3410 (Bild 8) enthalten außerdem weitere Features wie einen Überstromschutz sowie eine Übertemperaturschutz- und -überwachungsfunktion. Diese Integration vereinfacht die Power-Management-Lösung erheblich, Power-Designer können die von GaN gebotenen Möglichkeiten umfassend ausschöpfen.

Möglich ist auch die Einbindung passiver Bauelemente in IC-Gehäuse, etwa die Integration von HF-Entkopplungs­kondensatoren. Diese Maßnahme kann den Wirkungsgrad verbessern, indem die parasitären Induktivitäten in der kritischen Schleife und die elektromagnetischen Interferenzen vermindert werden. Auch die Schaltzeiten können steigen, ohne die Robustheit des Systems zu schmälern oder die thermischen Grenzen zu überschreiten. Als Ergebnis sind höhere Schaltfrequenzen und kleinere Abmessungen im Verbund mit einem reduzierten EMI-Filteraufwand möglich. Andere Bauteile integrieren magnetische Bauelemente, um ohne externen Übertrager eine isolierte Bias-Stromversorgung zu realisieren. Diese Vorgehensweise reduziert die Abmessungen, die Komplexität und die elektromagnetischen Interferenzen.

Die Kombination machts

Der Trend zur Steigerung der Leistungsdichte ist unübersehbar. Die Vermeidung von Verlusten und die Lösung der thermischen Probleme erfordert allerdings Innovationen hinsichtlich der Schalteigenschaften, der IC-Gehäuse, des Schaltungsdesigns und der Integration. Eine entscheidende Verbesserung der Leistungsdichte ist jedoch erst möglich, wenn alle diese Techniken miteinander kombiniert zum Einsatz kommen. UH

Die Autoren

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Dr. Jeffrey Morroni ist Manager von Kilby Power, Isolation & Motors, bei Texas Instruments und verantwortet die technologische Power-Management-Strategie. Dr. Morroni hält mehrere Patente und war Forscher in den Kilby Laboren. Er besitzt einen Master sowie einen PhD in Leistungselektronik der Universität Colorado.

Leistungsdichte Stromversorgung
© Texas Instruments

Dr. Pradeep Shenoy leitet das Power Design Services-Team bei Texas Instruments, mit Fokus auf Stromversorgungslösungen für Automobil, Telekommunikation und Enterprise Computing. Er engagiert sich im IEEE-Verband und der Applied Power Electronics Conference (APEC). Dr. Pradeep promovierte in Elektrotechnik an der Universität Illinois.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Digitaler SMPS-Zwilling zeigt »Was wäre, wenn«
Das letzte Zoll wird beherrschbar
Adieu 257 x Copy-Paste

Verwandte Artikel

Texas Instruments, Texas Instruments Deutschland GmbH