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Bus-Wandler

Neues Gehäuse - 97,5 % Wirkungsgrad

15. April 2014, 13:24 Uhr | Doug Ping

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Optimale Kühlung

Durch die Funktionsdichte der meisten elektronischen Geräte muss heutzutage bei der Neuentwicklung ein besonderes Augenmerk auf das thermische Design gelegt werden. Die Anforderungen an Höhe und Dynamik des von den Lasten benötigten Stromes erfordern eine Eingliederung der Stromversorgung in das komplette Funktionsdesign. Dies bedeutet den Abschied von früheren unabhängigen Einzellösungen für Untergruppen.

Durch die Unterbringung von Last und verlustbehafteten Power-Management-Bauteilen auf einer Leiterkarte steigen mit zunehmender Umgebungstemperatur natürlich auch die thermischen Anforderungen. Zu hohe Temperaturen reduzieren die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten. Entwickler müssen zusätzlich das Derating von Leistungskomponenten bei höheren Temperaturen beachten. Ohne effektive Kühlmaßnahmen werden die Leistungskreise überdimensioniert, was zu größeren, schwereren und kostenintensiveren Systemen führt.

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 Power-Management-Bauteilen, die jenseits der Möglichkeiten der nur einseitig gekühlten Bauteile liegen.

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Ein Beispiel dieser neuen Bauformen ist die „Converter housed in Package“-Technologie (ChiP; Aufmacher) von Vicor. ChiP-basierte Bauteile besitzen einen symmetrischen Aufbau, wodurch die verlustbehafteten Komponenten auf beiden Seiten der zentralen Leiterplatte sitzen. Eine thermisch leitende Vergussmasse leitet die Verlustwärme auf die Ober- sowie Unterseite, wodurch sich effektiv eine Verdoppelung der Kühlfläche in Bezug auf die Bauteilgröße im Layout ergibt (Bild 4). Durch entsprechendes PCB-Layout kann zusätzlich auch Wärme über die Pins auf die Leiterkarte abgeführt werden.

Mit der Kombination aus einem hohen Wirkungsgrad – 97,5 % bei einem Bus-Wandler von 380 V auf 12 V –, einem symmetrischen Aufbau und modernsten Materialien erreicht der ChiP-Baustein eine Leistung von 1,5 kW. Zusammen mit einem Kühlkörper und einem Lüfter erzielt ein nur 40 × 40 × 100 mm3 großer Aufbau eine Leistungsdichte von 9,4 W/cm3.

Diese modernen Bauformen ermöglichen eine dreidimensionale Entwärmung sowohl bei SMD als auch bei Pin-Montage. Die bereits integrierten induktiven Bauteile ermöglichen einen Aufbau mit nur wenigen externen Komponenten, was zu Einsparungen bei der Entwicklungszeit, Leiterplattenfläche und bei der Produktion führt.

Die Vergussmasse gewährleitet nicht nur ein effizientes Ableiten der Verlustwärme, sondern sorgt auch für eine entsprechende Isolierung, welche den Ansprüchen der Power-Management-Applikationen sowie den internationale Sicherheitsnormen entspricht. Diese Anwendungen sind u.a. AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur, isolierte Bus-Wandler, Buck-, Boost- und Buck-Boost-Wandler sowie POL-Strommultiplizierer.

1,5 kW und mehr

Eigenschaften und Baugrößen variieren stark zwischen den verschiedenen Lieferanten, so dass eine genaue Betrachtung der Möglichkeiten angeraten ist. Im Fall der Vicor-Bauteile auf Basis der ChiP-Technologie werden Bauhöhen von 4,7 mm und Grundflächen von 6 × 23 mm2 bis 61 × 23 mm2 angeboten, wobei das Portfolio noch erweitert wird. Ströme bis 180 A sind möglich, die Betriebsspannungen reichen bis 430 V – mit steigender Tendenz. Leistungen bis 1,5 kW sind möglich, wobei auch hier in Zukunft höhere Werte erwartet werden können.