Die Verkleinerung der Systemgröße dank höherer Schaltfrequenzen und der Miniaturisierung von Halbleitern gab diesem Trend einen ersten Schub. Neuere Verbesserungen basieren jedoch auch auf Fortschritten im thermomechanischen Design, insbesondere von Komponenten des Energiemanagements.
Jenseits des Mainstreams:
In den letzten Jahrzehnten wurden enorme Fortschritte bei der Miniaturisierung von Halbleitern erzielt. Zwischen 1982 und 2012 reduzierten kommerziell verfügbare Fertigungsprozesse für CMOS-Logik die Strukturgrößen von 1,5 μm auf 22 nm (Abbildung 1). Die daraus resultierende Steigerung der Funktionsdichte – um mehr als das 4600-fache – hat den Designprozess für elektronische Produkte grundlegend verändert, nicht nur in den Prozessorkernen oder Speichersubsystemen, sondern im gesamten Produkt.
Zu Beginn dieser Periode wiesen elektronische Produkte im Allgemeinen eine geringe Funktionsdichte und einen moderaten Stromverbrauch auf. Die Stromversorgungen basierten auf diskreten Bauteilen und suboptimalen Kühlmethoden. Obwohl die Energieeffizienz nach heutigen Maßstäben gering war, reichte sie angesichts des geringen Stromverbrauchs der Produkte und der Größe der Gehäuse aus.
Zu den bekanntesten Beispielen dieser Bauweise, die heute noch Verwendung findet, zählen die Netzteile in silbernen Gehäusen für Desktop-Computer. Ein 400-W-ATX12V-Netzteil basiert beispielsweise auf einer weitgehend diskreten Schaltung (Abbildung 2). Einzelne Kühlkörper kühlen die Leistungs-MOSFETs und Ausgangsgleichrichter, doch die gesamte Wärmeableitung führt zu steilen Temperaturgradienten, die bei hohen Umgebungstemperaturen problematisch werden. Mit einem typischen Wirkungsgrad von 80 % bietet das Netzteil im Format 138 x 86 x 140 mm eine Leistungsdichte von lediglich 0,24 W/cm³. ATX-Netzteile, die die Kriterien für 80-Plus-Platinum erfüllen, verdoppeln diesen Wert nahezu auf 0,42 W/cm³, doch ihre Leistungsdichte ist immer noch unzureichend und für die meisten Anwendungen in Vermittlungsstellen und Rechenzentren unpraktisch.
Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleitern erfordert Änderungen an den Architekturen der Stromversorgungssysteme. Integrierte Schaltungen (ICs), die mit kleineren Strukturgrößen gefertigt werden, benötigen immer niedrigere Betriebsspannungen und engere Toleranzen der Versorgungsspannung. Höhere Funktionsdichten erhöhen die Versorgungsströme, und die hohe Variabilität des Ressourcenbedarfs verstärkt die Dynamik des Laststroms erheblich. Unter diesen Lastbedingungen können Schaltungen, die Stromversorgung und Last durch lange Kupferleitungen trennen, die von diesen kompakten ICs geforderte Leistung nicht erbringen.
Das attraktive Blockbauformat
führte zur Entwicklung verschiedener alternativer Strukturen, um Stromversorgungssysteme für unterschiedliche Lastkonfigurationen zu optimieren. So wurden beispielsweise in Anwendungen mit langer Laufzeit, wie etwa Kommunikations-Linecards, große, ineffiziente Mehrfachausgangsnetzteile durch verteilte Stromversorgungsarchitekturen ersetzt. Diese Designs nutzen redundante AC/DC-Wandler mit einem Ausgang, um die Zuverlässigkeit der verteilten Spannung (typischerweise 48 V) zu gewährleisten und damit die Laufzeitanforderungen des Systems zu erfüllen. Linecards enthalten häufig Blockbauwandler, gefolgt von mehreren nicht isolierten Point-of-Load-Reglern (POL-Reglern) zur Versorgung einzelner Ressourcen.
Die im Wesentlichen diskreten, luftgekühlten Netzteil-Subsysteme weisen unebene Oberflächen für die Kaltluftzufuhr auf, was zu turbulenten Luftströmungen und damit zu Hitzestau und Hotspots führen kann. Blockförmige, gekapselte Konverter nutzen Imprägniermittel, um nahezu isotherme Bauteile zu erzeugen. Innerhalb der Kapselung sind die Leistungshalbleiter thermisch mit einer Aluminium-Grundplatte verbunden, wodurch eine einzige Kühlfläche entsteht. Die Kühlung kann durch Wärmeleitung, erzwungene Luftkonvektion oder eine Kombination aus beidem erfolgen.
Die Grundplattenoberfläche bietet eine große Kontaktfläche für die Montage eines Kühlkörpers. Diese thermomechanische Konstruktion ermöglicht eine maximale Ausgangsleistung von 600 W bei einem Gehäuse von 117 x 55,9 x 26 mm und einem 12,7 mm dicken Kühlkörper (im Lieferumfang enthalten). Die Leistungsdichte beträgt 3,5 W/cm³, was eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber geschlossenen Gehäusen darstellt.
Aufgrund der kontinuierlich steigenden Funktionsdichten hat sich das herkömmliche Blockformat durch die Verwendung von Bruchteilen – Halb-, Viertel- und Achtelblöcken – ersetzt, und nachfolgende Generationen bieten eine immer höhere Leistungskapazität. Die zunehmend kleineren Kühlflächen der Bruchteile stellen eine thermische Herausforderung für die Systemauslegung dar und haben die Funktions- und Leistungsdichten erhöht (Abbildung 3). Diese Herausforderung ist besonders ausgeprägt in Anwendungen mit steigenden Umgebungstemperaturen, wie z. B. Server-Arrays und Rechenzentren.
Verbesserungen bei der Kühlung:
Die hohe Funktionsdichte der meisten modernen Elektronikanwendungen macht das Wärmemanagement zu einem wichtigen Bestandteil der Produktentwicklung. Die aktuellen Anforderungen und die Dynamik der meisten Produkte erfordern die Integration des Energiemanagementsystems in das Funktionsdesign und brechen damit mit der traditionellen Sichtweise, Subsysteme seien isolierte Komponenten.
Bei der Platzierung von elektrischen Lasten (Kühlkörpern) und Komponenten des Energiemanagements (1-η-Kühlkörpern) auf Systemplatinen ist die Herausforderung bei höheren Betriebstemperaturen größer: Übermäßige Wärme verringert die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile. Entwickler müssen dies bei der Auswahl der Spezifikationen für Leistungskomponenten für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen berücksichtigen. Ohne effektive Wärmeabfuhr sind Leistungsstufen oft überdimensioniert, was zu größeren, schwereren und teureren Systemen führt.
Obwohl Fortschritte wie die Entwicklung von Brick-Packaging-Technologien von großer Bedeutung waren und Brick-Formate aus Sicht der Einfachheit weiterhin ihren Zweck erfüllen, benötigt die Industrie mittlerweile noch dichtere Energiemanagement-Geräte, die über die reine einseitige Kühlung hinausgehen.
Ein Beispiel für fortschrittliche Gehäusetechnologien, die die Leistungsverarbeitung und Performance verbessern, ist die Converter-in-Package (ChiP)-Technologie von Vicor. ChiP-basierte Bauelemente nutzen symmetrische Konfigurationen mit Kühlkörpern auf beiden Seiten einer zentralen Leiterplatte. Ein wärmeleitendes Vergussmaterial leitet die Wärme an die Ober- und Unterseite ab und verdoppelt so effektiv die relative Kühlfläche der Leiterplatte (Abbildung 4). Bei geeignetem Leiterplattendesign kann die zusätzliche Wärme auch über die elektrischen Kontakte abgeführt werden.
Eine Kombination aus hohem Wirkungsgrad – 97,5 % Spitzenwert für 380-V-zu-12-V-Buswandler – und einem symmetrischen Wärmedesign mit fortschrittlichen Materialien ermöglicht eine Leistung von 1,5 kW. Inklusive Kühlkörpern und Lüfter bietet eine 40 x 40 x 100 mm große Baugruppe eine Leistungsdichte von 9,4 W/cm³ (Abbildung 5).
Fortschrittliche Gehäusetechnologien wie diese ermöglichen dreidimensionales Wärmemanagement für SMD- oder Push-in-Bauteile. Integrierte magnetische Bauelemente fördern Designs mit nur wenigen externen Komponenten und reduzieren so Entwicklungszeit, Leiterplattenplatz und Montagekosten.
Die Verkapselung ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung und bietet gleichzeitig eine hohe Sicherheitsisolation, die den Anforderungen des Hochspannungs-Energiemanagements und internationalen Sicherheitsstandards entspricht. Dadurch lässt sich dieselbe Verkapselungstechnologie für eine Vielzahl von Energiemanagementfunktionen einsetzen. Dazu gehören AC/DC-Wandlung mit Leistungsfaktorkorrektur, isolierte Buswandlung, DC/DC-Wandlung, Abwärts-, Aufwärts- und Aufwärts-/Abwärts-Regelung sowie die Stromvervielfachung am POL (Point of Load). Eine einheitliche Verkapselungstechnologie, die für alle Energiemanagementaufgaben von der Eingangsstufe bis zum POL anwendbar ist, vereinfacht zudem die thermomechanische Systemauslegung durch Vereinheitlichung der Geräteprofile und thermischen Eigenschaften.
Die Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit variieren je nach Hersteller von Leistungskomponenten. Daher ist es ratsam, die Angebote der einzelnen Unternehmen sorgfältig zu prüfen. Die chipbasierten Komponenten von Vicor beispielsweise erreichen schlanke Profile von 4,7 mm und Abmessungen von 6 x 23 mm bis 61 x 23 mm und werden derzeit intensiv weiterentwickelt. Sie sind für Ströme bis zu 180 A und Betriebsspannungen bis zu 430 V ausgelegt, wobei diese Werte weiter steigen werden. Das Unternehmen hat bereits gezeigt, dass es mit dieser Gehäusetechnologie Leistungen von bis zu 1,5 kW realisieren kann, und auch dieser Wert dürfte sich noch erhöhen.
Bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. POL-Wandlern, bieten die kleinen und flachen Gehäuse Systementwicklern zusätzliche Flexibilität, um die Leiterbahnlängen zwischen Wandler und Last zu minimieren. Bei der Versorgung digitaler Ressourcen mit hohen dynamischen Strömen, wie z. B. ASICs, Prozessoren oder Speichersubsystemen, gewährleisten die geringen Verluste und die niedrige Induktivität eine präzise Regelung und schnelle Reaktion auf Laständerungen – und genau hier kommt es darauf an.
Diese Art der Verkapselungstechnologie eignet sich auch für Wandler mit einem hohen Spannungsverhältnis, was es den Entwicklern in einigen Anwendungen ermöglicht, die gesamte Wandlungsstufe zu eliminieren, die Systemkosten zu senken, die Betriebseffizienz der gesamten Leistungsstufe zu steigern und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
