Klein ist fein

Der Trend zur Miniaturisierung bei elektronischen und elektrischen Geräten hält ungebrochen an. Auch für Stromversorgungen gelten diese Anforderungen: kleiner, leichter, effizienter, zuverlässiger und ? last but not least ? billiger.

Stromversorgungen gibt es wie Sand am Meer. Die Anwendungsvielfalt dabei ist enorm. Allen gemein ist jedoch, dass sie nicht verlustfrei ihre Arbeit tun. Damit ist auch schon das Grundübel genannt. Überall wo elektrische Energie in Form von Strom und Spannung übertragen wird, entstehen Schaltungs- und Leitungsverluste, die in Form von Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Genau diese Wärme ist der Feind aller elektronischen Bauelemente. Die unterschiedlichen
Brauchbarkeitsdauern der Komponenten nehmen dabei sogar exponentiell mit zunehmender Bauteiletemperatur ab. Dies gilt für den Optokoppler genau so, wie für den Aluminium Elektrolytkondensator (Gesetz von Arrhenius).

Abführen der Verlustleistung
Wie kommt man nun zu einer Leistungsdichtesteigerung? Zum einen wurden und werden die verfügbaren Bauelemente wie Halbleiter, magnetische Materialien und Kondensatoren in ihren technischen Daten wesentlich verbessert. Durch drastische Reduzierungen des Rds_on bei den MOSFET-Transistoren, bei gleichzeitiger Verringerung der Transistorkapazitäten, der Reduzierung des Serienersatzwiderstandes bei Al-Kondensatoren sowie Verringerung der Ummagnetisierungsverluste bei den induktiven Komponenten für Transformatoren, Speicherdrosseln etc. sind enorme Wirkungsgradsteigerungen gelungen. Auf der anderen Seite sind die Verbesserungen der bekannten Schaltungstechniken zu nennen. Optimieren der Schaltfrequenzen und der Schaltungstopologien, Anwendung von Synchrongleichrichterschaltungen, schalten im Stromnulldurchgang zur Verringerung der Schaltverluste sollen stellvertretend genannt werden.

Doch nun zur Frage der Abführung der Verlustleistung. Selbst bei Wirkungsgraden von h = 90 % entstehen bei einem 100 W DC/DC-Wandler Verluste von Pv = 100 W*( 1- h ) / h = 11,1 W. Bei 50-W-Wandlern und einem Wirkungsgrad von h = 85 % sind es immerhin Pv = 8,8 W Verlustleistung, die abgeführt werden muss. Diese Wärme führt zu einer Erhöhung der unmittelbar am Leistungstransfer beteiligten und der benachbarten Bauteile. Eine mehr oder weniger hohe Temperaturdifferenz der Bauteile zur Umgebungstemperatur stellt sich ein. Messungen mit einem 50 W DC/DC-Konverter (100 x 160 x 35 mm; H x B x T), geschlossene Bauweise und einem Wirkungsgrad von h = 85 % zeigen, dass sich der Innenraum und die Bauteile darin um ca. 25 bis 35 K gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmen. Bei geringeren Wirkungsgraden erhöht sich dieses Temperaturgefälle noch weiter. Die Hersteller der Halbleiter und anderer Komponenten spezifizieren unter anderem Temperaturgrenzwerte, die unbedingt einzuhalten sind, wenn die Bauteile nicht ausfallen oder gar zerstört werden sollen. Werden nun Stromversorgungen für eine relativ hohe Umgebungstemperatur von z. B. 70 oder 85 °C gefordert, sind die thermischen Abstände zu den Grenzwerten der Hersteller nicht mehr sehr groß. Bei den Elkos betragen sie ohne Eigen- und Fremderwärmung nur noch 20 K bezogen auf Tu = 85 °C, wenn 105 °C-Typen verwendet werden. Nur bedingt helfen Sperrschichttemperaturerhöhungen bei Halbleitern von z. B. 150 auf 175 °C, wenn die Lötstellentemperatur bzw. Temperatur auf der Leiterplatte aus Zuverlässigkeitsgründen unterhalb 115 °C gehalten werden muss.

Leistungsbilanz:
Diese Verlustleistungen führen zu einer Bauteile- und Umgebungstemperaturerhöhung, wenn keine Zwangsbelüftung vorhanden ist. Ein Schaltnetzteil mit galvanischer Trennung besteht prinzipiell aus den in Bild 1 dargestellten Komponenten:
Insbesondere die Schaltungsteile 4, 5, 6, 8 und 9 sind beim Schaltnetzteil als Wärmequellen anzusehen. Ein thermisches Ersatzschaltbild lässt sich wegen der sehr komplexen Verhältnisse und der sehr unterschiedlichen sowie variantenreichen Aufbauten nicht ohne weiteres angeben. Dies gilt gleichermaßen für die offene als auch geschlossene Bauform. Eine Speicherdrossel oder ein Transformator können sowohl Wärmeenergie auf die Trägerplatine abgeben oder aber auch Wärme von derselben aufnehmen.
In jedem Fall ergibt sich ein Wärmeaustausch, sowohl bei offener als auch geschlossener Bauweise von Geräten zur Umgebung. Gleicher Wirkungsgrad vorausgesetzt ergeben sich jedoch unterschiedlich hohe Bauteiletemperaturen, da der Wärmeaustausch bei der geschlossenen Bauform nicht der offenen Bauform gleichkommt. Das heißt, die Bauteile werden hier thermisch stärker belastet und fallen folglich auch früher aus.
Es soll hier nicht die geschlossene Bauform diskreditiert werden. Dort wo ein hoher Verschmutzungsgrad vorliegt müssen die Bauteile z. B. gegen leitfähigen Staub geschützt werden. Aber genauso wie man bei frostiger Kälte Türen und Fenster verschließt, um die Wärme in der Wohnung zu halten, hat man hier mit den negativen Folgen der geschlossenen Bauweise zu leben. Und das heißt hier eben ca. 25 bis 35 K Übertemperatur bei den Elkos gegenüber 10 bis 15 K bei offener Bauweise und normaler Wechselstrombelastung. Bei der Verwendung gleicher Elkotypen bedeutet dies eine Brauchbarkeitsdauerreduzierung von ca. 280 % (oder anders ausgedrückt: Faktor 2,8 schlechter).
Die Datenblattangaben Tcase (T_Kühlkörper) = 85 bzw. 100 °C sind immer unter dem Gesichtspunkt zu sehen, wie sich diese Temperatur zusammensetzt:
Tcase = Tu + Pv * Rth (4).
Also nur für den Fall, dass der Wandler einen Wirkungsgrad von h = 1 aufweist, würde Tcase auch der Umgebungstemperatur entsprechen. Anderenfalls sind hier Abstriche zu machen. Dies soll einmal an folgendem Beispiel deutlich gemacht werden:

Beispiel aus der Praxis
Angenommen wird ein Wandler mit geschlossenem Gehäuse, einer Baugröße von (H x B x T) 35 x 100 x 160 mm, mit einem Rth-Wert von typ. 1,7 K/W und einem Wirkungsgrad h = 0,85 bei einer Abgabeleistung von 100 W. Aus Gleichung (3) folgt: Pv = 17,65 W.
Bis zu welcher Umgebungstemperatur würde dieser Wandler ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen funktionieren? Aus Gleichung (4) folgt: Tu,max = Tcase – Pv * Rth
Tu = 100 °C – 17,65 °C * 1,7 K/W = 70 °C.
Hierin sind noch keine Toleranzen bei der Ansprechschwelle der Temperaturüberwachung enthalten (±10 K ). Die Stromversorgungen schützen sich durch Abschalten, wenn eben diese Gehäusetemperatur z. B. Tcase = 100 °C erreicht wird. Hier wird natürlich mit einer Temperaturhysteresis gearbeitet, ansonsten würde die Stromversorgung dauerhaft ein- und ausschalten. Das heißt, dass nach dem Ansprechen dieser Abschaltschwelle, eben wegen dieser Temperaturhysteresis, bei diesem Wandler im spezifizierten Bereich zwischen Tu = 60 bis 70 °C ( das entspricht: Tu,max – DJ ) keine Funktion, zumindest zeitweise, vorhanden ist! Erst nach einer Abkühlung der Umgebungstemperatur um ca. 10 K auf 60 °C würde auch entsprechend der untere Hysteresewert der Temperaturüberwachung erreicht werden, und damit die Stromversorgung erst bei Tu = 60 °C wieder einschalten. Über die thermische Zeitkonstante, wann die Baugruppe wieder einschaltet, darf spekuliert werden.
Damit dieser Wandler in diesem Temperaturbereich ohne Abstriche voll funktionsfähig ist, müsste der Gesamt-Rth-Wert auf 20 K / 17,65 W = 1,1 K/W reduziert werden. Ein zusätzlicher Kühlkörper folgender Größe ist erforderlich:
H x B x T: 25 x 100 x 160 mm ( z. B. KK von Alutronic PR 174 Rth = 1,37 K/W für Pv = 20 W und Rth = 1,4 K/W für Pv = 17 W).
Die Gesamtabmessungen des Wandlers werden dadurch um ca. 70 % erhöht. Bei einer geforderten Umgebungstemperatur von 85 °C nimmt dieser Kühlkörper schon weitaus größere Abmessungen an. Der Gesamt Rth-Wert muss dann auf
Rth? = 5 K / 17,65 W = 0,28 K/W, DJ = 100 °C – 10 K (Hyst.) – 85 °C = 5 K
reduziert werden. Das entspricht einem Kühlkörper der Größe 40 x 300 x 100 mm (H x B x T). n

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