Kompakter Mehrphasen-Wandler
Zwei Wicklungen, ein Kern - mehr Leistung auf wenig Fläche
KI-Server und Automotive-Systeme fordern immer mehr Strom auf wenig Raum. 48-V-Architekturen und gekoppelte Induktivitäten lösen das Problem: Ein gemeinsamer Magnetkern reduziert die Bauteilfläche und senkt gleichzeitig Rippleströme und Schaltverluste.
Wie die EUC23 von TDK dieses Konzept in kompakten Mehrphasen-Wandlern umsetzt, zeigt der nachfolgende Artikel. Eine der aktuell bedeutendsten Veränderung bei der Stromversorgung in den Bereichen Hochleistungsrechner und Automotive ist derzeit der Übergang zur 48-Volt-Versorgungsarchitektur, die bisher vor allem in der Telekom-Branche zum Einsatz kam. Durch den Strombedarf von KI-Servern und Massenspeichern hat sich die Belastung auf Leiterplatten-Ebene jedoch in den Kilowattbereich verschoben. Gleiches gilt für Anwendungen mit hohem Drehmoment wie Lenk- oder Bremsassistenten sowie für Zone-Controller im Software-Defined Vehicle (SDV). Um diese Systeme skalierbar zu gestalten und Verluste zu reduzieren, werden sie von einer 12-V- auf eine 48-V-Versorgungsarchitektur umgestellt.
Höhere Spannungen führen bei gleicher Leistungsaufnahme (P = U · I) zu geringeren Strömen. Dadurch verringern sich sowohl die Verluste (P = I² · R) als auch die erforderlichen Kabelquerschnitte. Mittlerweile ist jedoch der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von 48 V – typischerweise zunächst auf 12 V, dann auf Zwischenspannungen wie 9,6, 8, 6 oder 4,8 V und schließlich auf Point-of-Load-Spannungen von bis zu 1 V – zum Knackpunkt bei der Entwicklung geworden.
Geregelte Spannungen aus 48-V-Quellen bei hohen Strömen zu liefern, erfordert jedoch besondere Lösungen in Bezug auf Baugröße und Wärmeableitung. Gekoppelte Spulen reduzieren die Grundfläche auf der Leiterplatte und verbessern den Wirkungsgrad in mehrphasigen Wandlerstufen. Sie nutzen einen gemeinsamen Magnetkern, um Rippelströme zu kompensieren. Dadurch sinken die Verluste in den Halbleitern im Vergleich zu Konstruktionen mit diskreten Induktivitäten. TDKs ERUC23 bietet Ingenieuren, die unter diesen realen Einschränkungen arbeiten, eine Option zur Bewältigung hoher Ströme.
Dieser Artikel beleuchtet drei Schlüsselkonzepte und zeigt auf, wie Bauelemente, wie der ERUC23, dabei helfen können, die Designziele zu erreichen. Zu diesen Konzepten gehören:
die Verkleinerung der Baugröße bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrads durch gekoppelte Induktivitäten,
die zuverlässige Stromversorgung in 48-V-Systemen durch intelligentere Abwärtswandler-Designs sowie
die Verbesserung der thermischen Performance durch Minimierung der Verluste auf Bauteilebene.
Abbildung 1: Zu den typischen Topologien zählen Buck-, Boost-, Buck-Boost- und Hybrid-Wandler.
Technische Integration gekoppelter Induktivitäten für verbesserte Leistungsdichte und Wirkungsgrad
Mehrphasige Architekturen und bauliche Einschränkungen
Um den steigenden Leistungsanforderungen gerecht zu werden, eignen sich mehrphasige Wandler-Architekturen. Da sich dort der Strom auf mehrere Kanäle aufteilt, verteilt sich auch die Wärme besser und das Verhalten bei Transienten verbessert sich. Herkömmliche Designs mit diskreten Induktivitäten – eine pro Phase – schränken jedoch die Möglichkeiten für das Layout in Systemen mit hohem Strom (zum Beispiel vier, acht oder 16 Phasen) erheblich ein. Dies erschwert das Platzieren der Leiterbahnen auf der Leiterplatte sowie die Kühlung in dicht bestückten Baugruppen.
Reduzierung der Bauteilfläche durch magnetische Integration
Gekoppelte Induktivitäten bieten eine integrierte magnetische Lösung: Nur ein Magnetkern wird für zwei Wicklungen genutzt. Dadurch lassen sich zwei diskrete Induktivitäten durch ein einziges Bauelement ersetzen. Im Vergleich zu zwei diskreten Induktivitäten mit derselben Funktion reduziert sich die Bauteilfläche um bis zu 70 Prozent [7]. Aufgrund der höheren Leistungsdichte lassen sich kompaktere Gesamtkonstruktionen realisieren, ohne Abstriche bei der Ausgangsleistung machen zu müssen.
Verringerung von Rippelströmen
Gekoppelte Induktivitäten verbessern über kompakte Abmessungen hinaus auch die elektrische Performance. Durch ihren gemeinsamen Magnetkern gleichen sie Rippelströme zwischen den Phasen aus und reduzieren so die kombinierten Rippelströme im System. Darüber hinaus zeichnen sich gekoppelte Induktivitäten unter denselben Lastbedingungen in der Regel durch geringere Kern- und Kupferverluste aus als eine Lösung mit zwei diskreten Induktivitäten. Dies ist auf die bessere magnetische Kopplung und die Unterdrückung des Rippelstroms zwischen den Phasen zurückzuführen. Aufgrund des verringerten Rippelstroms reduzieren sich nicht nur die Verluste in den Induktivitäten, sondern auch die Verluste bei Halbleiterschaltern.
Systemeffizienz und thermische Belastung
Für Systeme, die einen Wirkungsgrad von mindestens 95 Prozent anstreben, sind selbst inkrementelle Verbesserungen des Wirkungsgrads von großer Bedeutung. Steigt beispielsweise der Wirkungsgrad um 0,2 Prozent bei einem Ausgangswert von 95 Prozent, verringert sich die Verlustleistung insgesamt um 4 Prozent. Dadurch vergrößert sich der thermische Spielraum und die Lebensdauer der Bauelemente verlängert sich. In Großanlagen wie Hyperscale-Rechenzentren oder Fuhrparks für Elektrofahrzeuge (EV) verbessern diese geringfügigen Gewinne die Systemzuverlässigkeit messbar und senken die operativen Kosten für die Kühlung.
Implementierung der Bauelemente: Die gekoppelte Induktivität TDK ERUC23
Mechanische und elektrische Spezifikationen
Bei der ERUC23 von TDK handelt es sich um eine konkrete Umsetzung gekoppelter Spulen für hocheffiziente, mehrphasige Systeme. Das Bauelement nutzt eine Flachdrahtwicklung, die für hohe Sättigungsströme (bis zu 97 A) ausgelegt ist und gleichzeitig den Gleichstromwiderstand (RDC) minimiert. Diese Konstruktion ermöglicht hohe Leistungen bei einer kompakten Grundfläche von 26,8 x 13 mm² und begrenzt den Temperaturanstieg, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen.
Skalierbarkeit und modularer Aufbau
Ausgelegt ist die ERUC23 ist für zweiphasige Konfigurationen. Um höhere Ströme in Hochleistungsrechnern oder Antriebssträngen von Autos zu bewältigen, lassen sich mehrere solcher Einheiten zu vier-, acht- oder noch höherphasigen Wandlerstufen kombinieren. Dank dieser Skalierbarkeit lassen sich verschiedene Leistungsklassen über einen standardisierten Ansatz realisieren. Gleichzeitig bleiben die Vorteile der magnetischen Kopplung erhalten.
Zuverlässigkeit und Automobilstandards
Nach den AEC-Q200-Standards qualifiziert, ist die ERUC23 somit für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanische und thermische Robustheit geeignet. Damit ist die Leistungsfähigkeit des Bauelements in anspruchsvollen Umgebungen, wie sie typisch für Automobil- und Industriesysteme sind, gesichert. Durch die hohe Strombelastbarkeit bei gleichzeitig reduzierter Anzahl an Bauelementen lässt sich eine Leiterplatte einfacher layouten – eine Grundvoraussetzung für ein Design bei knappen Platzverhältnissen.
Abbildung 2: Vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Simulation
Wärmemanagement und Systemeffizienz
Bei Systemen mit hoher Leistungsdichte stellt das thermische Design nach wie vor eine zentrale Herausforderung dar. Konventionelle Kühllösungen wie Zwangsbelüftung oder Flüssigkeitskühlung verursachen jedoch zusätzliche Kosten, Lärm und komplexe Mechanik. Daher ist es ein vorrangiges Designziel, die thermische Belastung bereits an der Quelle zu reduzieren. Höhere Wirkungsgrade durch geringere Rippelströme führen dazu, dass sowohl die gekoppelten Induktivitäten als auch die Leistungshalbleiter weniger Verlustwärme erzeugen.
Abbildung 3: Anschluss einer gekoppelten Induktivität bei einem Abwärtswandler mit zwei verschachtelten Phasen. Dabei ist der Anschluss für die korrekte Funktion entscheidend. Eine falsche Verbindung würde die Leistung beeinträchtigen
Fazit
Zunehmend verlangen die aktuellen Anforderungen an Stromversorgungen nach hohen Leistungen bei gleichzeitig immer knapperen Platzverhältnissen und thermischen Rahmenbedingungen. Mit steigender Leistungsdichte und der zunehmenden Verbreitung von 48-Volt-Architekturen in Hochleistungscomputern sowie im Automobilbereich werden die Grenzen der Leistungsfähigkeit herkömmlicher diskreter Bauelemente immer deutlicher sichtbar.
Der Übergang von diskreten zu gekoppelten Induktivitäten mit gemeinsamem Kern ist ein technischer Ansatz, um die Stellfläche zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Durch den Einsatz magnetischer Kopplung zur Unterdrückung von Rippelströmen können Entwickler den Bauraum für die Bauelemente verringern, das Leiterplattenlayout vereinfachen und Schaltverluste reduzieren. Dies ist entscheidend, um die hohen Anforderungen an das Wärmemanagement moderner Hochleistungssysteme zu erfüllen.
Abbildung 4: RDC-Strommessung mit RC-Filter
Mit der ERUC23 setzt TDK diese Prinzipien in die Praxis um und zeigt, wie sich ein hoher Sättigungsstrom und ein niedriger Gleichstromwiderstand in einem kompakten, nach AEC-Q200 zertifizierten Bauelement vereinen lassen. Angesichts der sich ständig verschärfenden Anforderungen an die Leistungselektronik ist die Integration hochentwickelter magnetischer Bauelemente nach wie vor eine wichtige Strategie, um auch in zukünftigen Systemen die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
