Gekühlt und dennoch dicht: Genau wie das Innere einer Flasche, soll auch das Innenleben einer Stromversorgung geschützt sein, während es gleichzeitig von außen gekühlt wird.

Gekühlt und dennoch dicht: Genau wie das Innere einer Flasche, soll auch das Innenleben einer Stromversorgung geschützt sein, während es gleichzeitig von außen gekühlt wird. (Bild: monticellllo @ AdobeStock)

Wenn es darum geht, robuste Systeme für den Außeneinsatz zu entwickeln, ist die beste Möglichkeit, sie zuverlässig zu gestalten, diese vollständig gegen äußere Umgebungseinflüsse abzudichten. Das ist sinnvoll, bringt jedoch einige Design-Herausforderungen mit sich, wie etwa das Bereitstellen der Stromversorgung – vor allem, wenn hohe Leistungen erforderlich sind. Die meisten Hochleistungsnetzteile verwenden eine forcierte Luftkühlung, um die erzeugte Wärme abzuführen – ein Ansatz, der in einem vollständig abgedichteten Gerät nicht praktikabel ist. Daher hat sich die Verwendung Baseplate-/grundplattengekühlter Wandlermodule (Bricks) bewährt, die an einer Cold Wall oder einem Gerätegehäuse montiert werden und Konduktionskühlung nutzen.

Bricks sind als Leistungsmodule auf Bauteilebene und nicht als Drop-in-Lösung konzipiert und bieten Herstellern von Outdoor-Geräten/-Systemen einen risikoarmen Entwicklungsansatz, der die Markteinführung durch bewährte, zuverlässige und leicht verfügbare Stromversorgungsmodule beschleunigt. Damit lassen sich maßgeschneiderte Stromversorgungslösungen für die Endanwendung erstellen.

Überblick: Grundplattengekühlte Leistungswandler

Sobald Industrie-Anwendungen in rauen Umgebungen zum Einsatz kommen oder für den Außeneinsatz konzipiert werden sollen, gelten ganz andere Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Geräte als bei herkömmlichen Anwendungsgebieten. Viele Hersteller dichten die Anwendungen deshalb komplett ab. Das wiederum wird zur Herausforderung für den Elektronik-Entwickler, denn der muss die eingeschränkten Gegebenheiten in seinem Design berücksichtigen. Gerade Wärmemanagement und EMV können sich hier als äußerst problematisch herausstellen.

Bricks sind für Anwendungen mit AC- und DC-Eingang erhältlich. Produkte mit AC-Eingang können komplette AC/DC-Lösungen oder PFC-Module (Leistungsfaktorkorrektur) sein, die zur Ansteuerung von DC/DC-Bricks mit hoher Eingangsspannung verwendet werden. Bis auf wenige Ausnahmen erfordern Module mit AC-Eingang externe Hochspannungs-Elektrolytkondensatoren. Bricks mit DC-Eingang decken einen weiten Bereich von Batterie-Nennspannungen, Fahrzeugbatterien und Hochspannungs-Anwendungen bis etwa 450 VDC ab, um PFC-Module oder gleichgerichtete Netzspannungen, Hochspannungs-Batterielösungen und Anwendungen für erneuerbare Energien zu versorgen.

Es haben sich branchenübliche Standardgrößen herausgebildet, die als Quarter-, Half- und Full-Bricks bezeichnet werden. Nennleistungen bis zu 700 W stehen über ein solches Full-Brick mit 2:1-Eingang bereit. Ein breiterer Eingangsbereich von 4:1, 8:1 oder sogar 12:1 zur Standardisierung des Systemdesigns, der einen breiten Bereich möglicher Nenneingangsspannungen abdeckt, reduziert die Leistungsdichte des Bricks.

Die Entwicklung grundplattengekühlter Wandler erfordert einige zusätzliche Design-in-Überlegungen, insbesondere für das Wärmemanagement und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Bild 1: Beispiel für die Änderung des Wirkungsgrads in Bezug auf die Eingangsspannung und Last.
Bild 1: Beispiel für die Änderung des Wirkungsgrads in Bezug auf die Eingangsspannung und Last. (Bild: XP Power)

Wärmemanagement

Alle leistungsverbrauchenden Bauelemente innerhalb des Bricks sind thermisch mit der Grundplatte verbunden, also die Leistungstransistoren, Gleichrichter, Transformatoren und Induktivitäten. Dabei ist das Wärmemanagement der Modulgrundplatte entscheidend und ihre Temperatur muss unter der maximalen Betriebsgrenze der für die Endanwendung spezifizierten Worst-Case-Bedingungen gehalten werden. Die Wärmewiderstandseigenschaften des Kühlsystems müssen auf die von der Last oder dem Endgerät benötigte Leistung und den Wirkungsgrad des Moduls abgestimmt sein, denn diese Größen bestimmen die Verlustleistung des Brick-Wandlers und die maximale Temperatur, bei der sich das Modul voraussichtlich betreiben lässt.

Der Betriebswirkungsgrad unter Worst-Case-Lastbedingungen bestimmt, wie viel Leistung das Modul abführt. Dafür ist eine sorgfältige Analyse des Modul-Wirkungsgrads über alle wahrscheinlichen Eingangsspannungsbereiche und die tatsächlichen Lastbedingungen erforderlich. Eine ausschließliche Berechnung anhand des angegebenen Spitzenwirkungsgrads des Moduls ist nicht ausreichend. Bild 1 veranschaulicht, wie sich der Wirkungsgrad eines Moduls mit der Eingangsspannung und der Last verändert. Formel 1 lässt sich nutzen, um die abzuführende Leistung zu ermitteln.

Berechnung der als Wärme abzuführenden Verlustleistung
Bild 2: Berechnung der als Wärme abzuführenden Verlustleistung. (Bild: XP Power)

Nachdem der Entwickler die Abwärme bzw. die Verlustleistung bestimmen konnte, kann er über Modell 3 den für den Betrieb erforderliche Wärmewiderstand ermitteln, wobei ∆T als Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur des Geräts und der maximalen Grundplattentemperatur des Bricks definiert ist. Der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper beträgt 0,1 °C/W bei Verwendung eines Wärmeleitpads oder einer Wärmeleitpaste.

Bei konvektionsgekühlten Anwendungen ist der Kühlkörper weitaus größer als bei einer vergleichbaren Lösung mit forcierter Luft- oder Flüssigkeitskühlung. Befindet sich mehr als ein grundplattengekühltes Modul auf einem gemeinsamen Kühlkörper, einer Cold Wall oder einem externen Gehäuse, lässt sich der Gesamtwärmewiderstand durch die Summe der Verlustleistung aller Bricks bestimmen, die unter Worst-Case-Bedingungen arbeiten.

Bild 3: Wärmemodell des Leistungswandlermoduls (Brick) und Kühlkörpers.
Bild 3: Wärmemodell des Leistungswandlermoduls (Brick) und Kühlkörpers. (Bild: XP Power)

Elektromagnetische Verträglichkeit

Ein weiterer Aspekt bei der Entwicklung von Leistungswandlern mit Grundplattenkühlung ist die EMV, was auch den Schutz vor Spannungsspitzen und Überspannungen sowie die Eindämmung elektrischer Störungen einschließt. Die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Endanwendung bestimmen den Umfang und die Komplexität der erforderlichen Überspannungs- und Spannungsspitzenunterdrückung, von einfachen passiven Bauelementen bis hin zur Transientenspannungsunterdrückung (TVS), Gasentladungsröhren (GDT) oder sogar Active-Clamp-Desings, die in einigen Fahrzeug- und Bahnanwendungen erforderlich sind. Für Bahnanwendungen sind etwa anwendungsspezifische EMV-Module erhältlich, die bewährte Lösungen mit geringem Risiko für diese anspruchsvollen Anwendungen bieten. Eine auf einem Leistungswandler basierende Stromversorgung erfordert aus Sicherheitsgründen auch eine geeignete Absicherung oder einen Schutzschalter sowie einen Kondensator, um die Quellenimpedanz zu verringern.

Sowohl das Datenblatt des Bricks als auch die Anwendungshinweise geben die Werte der erforderlichen Bauelemente an. Jedoch obliegt es dem Entwickler des Stromversorgungssystems, diese zu integrieren, indem er bekannte Praktiken für die Anforderungen an Kriech- und Luftstrecken befolgt und parasitäre Induktivitäten minimiert, um die EMV zu gewährleisten.

Bild 4: Schaltkreis für Systeme mit DC-Eingang.
Bild 4: Schaltkreis für Systeme mit DC-Eingang. (Bild: XP Power)

Bild 4 beschreibt, wie die Sicherung FS1 einen Schutz gegen Kurzschluss am Eingang bietet. Dabei stellt die Diode D1 einen Verpolungsschutz bereit. L1, C1 und C2 bilden einen Pi-Filter, um differentielles Rauschen zu reduzieren, das durch schnelle Stromänderungen in der Leistungsschaltstufe verursacht wird. Der Gleichtaktfilter mit L2, C4 und C5 dämpft Rauschen, das durch schnelle Spannungsänderungen im Leistungswandler erzeugt wird. Der Kondensator C3 stellt eine niederohmige Quelle für den Schaltstrombedarf des Leistungswandlers dar, und TVS1 ist ein bidirektionaler Überspannungsschutz zum Schutz vor Spannungsspitzen und Überspannungen. C6 und C7 reduzieren das Gleichtaktrauschen am Ausgang, obwohl für Anwendungen, die eine rauscharme Stromquelle erfordern, ein zusätzlicher Differenzfilter am Ausgang erforderlich sein könnte.

Bei der Auslegung des Stromversorgungssystems ist es sinnvoll, die Entkopplungskondensatoren C4, C5, C6 und C7 so nah wie möglich an den Anschlusspins und der Gehäuseverbindung zur Grundplatte zu platzieren, um die Schleife kurz zu halten. TVS1, der Überspannungsschutz, und der Elektrolytkondensator C3 über dem Eingang sollten so nah wie möglich an den Eingangspins angebracht werden. Leiterbahnen unterhalb des Wandlermoduls sollten Entwickler vermeiden.

Bei Verwendung eines PFC-Moduls vor dem Wandler ist zusätzlich ein High-Voltage-Elektrolytkondensator C6, ausgelegt für 450 VDC, erforderlich. Die vom Endsystem geforderte Überbrückung (Hold-up oder Ride-Through) bestimmt den Wert des Kondensators.

Bild 5: Schaltkreis für Systeme mit AC-Eingang
Bild 5: Schaltkreis für Systeme mit AC-Eingang. (Bild: XP Power)

Einige kombinierte Single-Brick-PFC- und DC/DC-Module sind mit externen Anschlüssen für den Bulk-Kondensator erhältlich. Für Systeme mit AC-Eingang ist es erforderlich, dass während der Entwicklungsphase die Kriech- und Luftstrecken zwischen Phase, Neutral, Erde sowie Eingang zu Niederspannungsausgang gemäß der gängigen Sicherheitsnorm eingehalten werden.

Alle zusätzlichen Komponenten müssen ebenfalls in das Wärmemanagement mit einbezogen werden, um sicherzustellen, dass sie innerhalb ihrer thermischen und sicherheitstechnischen Grenzwerte bleiben. Die Temperatur wirkt sich auf die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren aus, wobei eine Verringerung um nur 10 °C zu einer doppelten Lebensdauer der Komponenten führt. Die Wahl der Lebensdauer der Komponenten, der Temperaturklasse und der Kühlvorkehrungen ist daher entscheidend, um die gewünschte Lebensdauer des Endgeräts zu gewährleisten. Der Einsatz wärmeleitender Pads und das Fernhalten wärmeempfindlicher Bauelemente von Komponenten mit höheren Temperaturen tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufrechtzuerhalten.

Ein konvektionsgekühltes Leistungswandlermodul mit Grundplatte ist daher ein idealer Ansatz für robuste Geräte, die gegen Umgebungseinflüsse abgesichert werden müssen und eine beliebte Lösung für viele Transportsysteme sowie sendemastmontierte Netzwerkausrüstung.

Gary Bocock

Technical Director bei XP Power

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