Hohe Leistungsdichte für energieintensive Systeme

Je energieintensiver ein System ist, desto mehr Arbeit müssen die Stromwandler in der gleichen oder in kürzerer Zeit erledigen. Das bedeutet per Definition, dass die Leistung zunimmt. Aber der Platz ist knapp – in Rechenzentren genauso wie in Fahrzeugen.

Größere Schaltkreise zu bauen, um die zusätzliche Leistung zu bewältigen, ist meistens keine Option. Daher ist eine hohe Leistungsdichte ein vorrangiges Ziel für Entwickler. Damit verbunden ist eine Steigerung der Effizienz, um die thermischen Herausforderungen bei der Wärmeableitung zu bewältigen. Zudem soll Energie gespart werden.

Wide-Bandgap-Halbleiter für eine hohe Leistungsdichte

Unter den Optionen, die Ingenieuren zur Verfügung stehen, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, haben sich Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) durchgesetzt. Vor der Pandemie waren zum Beispiel die Neulinge unter den Elektro-Fahrzeugen der Haupteinsatzbereich von WBG-Halbleitern im Automobilbereich. Das hat sich nun geändert, und die etablierten Hersteller bemühen sich darum, eine vergleichbare Leistung in ihren kommenden vollelektrischen Produktportfolios sicherzustellen.

Vorteile von WBGs

WBG-Halbleiter – insbesondere SiC, aber auch GaN und andere – ermöglichen einen deutlich höheren Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung als andere Halbleiter. Dies gilt insbesondere, wenn sie bei einer Frequenz geschaltet werden, die deutlich über dem Bereich liegt, der für ihre Si-Pendants geeignet ist. Sie können auch bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten, wodurch die Herausforderungen beim Wärmemanagement abnehmen und eine geringere Größe, Gewicht und Komplexität des Kühlsystems nötig ist.

Einfluss der Schaltfrequenzen

Schnelleres Schalten ermöglicht es, dass viel kleinere Schaltungen die gleiche oder eine höhere Leistung erbringen. Wird ein Halbleiterschalters bei einer höheren Frequenz betrieben, können kleinere zugehörige Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten den Energiefluss in den Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen handhaben und glätten. Dies ist weithin bekannt, auch wenn die geringeren Werte bei Kapazitäten und Induktivitäten nur die halbe Miete sind.

Typische Schaltfrequenzen von Wandlern, die auf Si-Leistungshalbleitern basieren, liegen in etwa zwischen 30 und 80 kHz. Bei diesen Frequenzen haben sich Polypropylen-Kondensatoren bewährt, da sie zuverlässig und vor allem kostengünstig sind. Oberhalb dieses Frequenzbereichs führen parasitäre Effekte jedoch zu übermäßigen Widerstandsverlusten und Eigenerwärmung.

KC-Link-Keramikkondensatoren

Kemet hat mit Teams im Bereich Leistungselektronik-Design zusammengearbeitet, als diese Prototypen von Wandlern mit SiC-Leistungstransistoren entwickelt haben. Um die Anforderungen zu erfüllen, die diese Leistungsschalter an die unterstützenden Schaltungen stellen, sollen die KC-Link-Keramikkondensatoren des Unternehmens helfen.

Sie basieren auf einem Firmen-eigenen High-Voltage-C0G-Dielektrikum, das einen niedrigen effektiven Serienwiderstand (ESR) und einen geringen Wärmewiderstand gewährleistet.

Eigenschaften der Keramikkondensatoren

Die Keramikkondensatoren arbeiten mit kleinen Verlusten bei Frequenzen bis in den niedrigen MHz-Bereich. Sie verarbeiten hohe Rippleströme, ohne dass sich die Kapazität über der Gleichspannung ändert. Auch über der Temperatur ist die Kapazität stabil. Da die Bauteile bei Temperaturen bis zu 150 °C arbeiten, können sie in der Nähe schnell schaltender Halbleiter in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte eingebaut werden. Die Nennspannungen der verfügbaren Serien reichen von 500 bis 2000 V und so finden die KC-Link-Keramikkondensatoren auch in Anwendungen wie 400- und 800V-EV-Batteriesystemen Verwendung.

Lötfreie Verbindungstechnik

Weiter hat das Unternehmen die lötfreie Verbindungstechnik TLPS (Transient Liquid Phase Sintering) entwickelt.

Mit dieser Technik können SMD-MLCC-Stacks mit hoher Kapazität aufgebaut werden, die eine kleine Grundfläche haben und die Temperaturstabilität des Klasse-I-C0G-Dielektrikums nutzen. Sie sollen Hochleistungsanwendungen ermöglichen, die ohne Kühlung Temperaturen von 150 °C und mehr erreichen können.

Grenzen der GaN-Technologie

WBG-Halbleiter in Servern für Rechenzentren basieren meist auf GaN-Technologie. Die Schaltfrequenzen hier lagen Zeit bei etwa 300 kHz. Mit dem Aufkommen von GaN hat sich diese Frequenz erhöht, liegt aber immer noch bei etwa 900 kHz. Hier ist die Leistungsfähigkeit der magnetischen Komponenten der größte begrenzende Faktor. Induktivitäten weisen zwei Verlustmechanismen auf: Widerstandsverluste der Wicklung und Energieverluste durch die Erwärmung des Ferrit- oder Metallverbundkerns. Ideal wäre, die Kernverluste zu minimieren, ohne die magnetische Permeabilität des Kerns zu beeinträchtigen, die die Grundlage für seine Fähigkeit ist, Stromänderungen im Schaltkreis zu widerstehen und Energie im Magnetfeld zu speichern.

Neues Material für Frequenzbereich von 1-5 MHz

Für diese Herausforderung im Bereich Materialwissenschaft stellt Kemet eine Lösung vor. Das neue Material hält die hohe magnetische Permeabilität bei und wurde für geringe Verluste im Frequenzbereich von 1-5 MHz optimiert. So können GaN-basierte Wandler höhere Schaltfrequenzen erreichen. Wie bei einem SiC-Wandler erlaubt eine höhere Schaltfrequenz kleinere Kapazitäts- und Induktivitätswerte, was zu einer höheren Leistungsdichte führt.

Kleinere Entkopplungskapazität

Eine höhere Schaltfrequenz der Stromversorgung hat weitere Vorteile. Die Lasttransienten-Entkopplungskapazität, die kritische Bauteile wie dem Hauptprozessor schützt, lässt sich erheblich verkleinern. In der Vergangenheit wurden Tantal- oder Aluminium-Polymer-Kondensatoren verwendet. Mit einer kleineren Entkopplungskapazität kann eine kleine Anordnung von Klasse-II-MLCCs wie X5R-, X6S- oder X7R-Kondensatoren direkt neben dem Prozessor platziert werden. Das nächste Ziel ist es, die Aluminium-Polymer-Entkopplungskondensatoren in den Chipträger innerhalb des Gehäuses einzubetten, sodass die mit On-Die-Silizium-Kondensatoren zusammenarbeiten. Dies könnte die Entkopplungsprobleme überwinden, mit denen Entwickler von Prozessoren aktuell konfrontiert sind, und höhere Wandler-Frequenzen ermöglichen – bis zu 10 MHz und mehr. Die geschätzte Entwicklungszeit beträgt etwa fünf Jahre.

Switched-Tank-Wandler

Materialwissenschaftler haben das Keramik-Dielektrikum U2J speziell für den ersten Switched-Tank-Wandler entwickelt. Mit Induktivitätsabmessungen, bei denen Magnetkernverluste gering sind, führen diese Wandler zu einem wesentlich höheren Wirkungsgrad bei der Wandlung von 48 auf 12 V in verteilten Stromversorgungssystemen für Server in Rechenzentren. Diese Wandler definieren aktuell die Obergrenze in Bezug auf die Effizienz der 48-/12V-Wandlung.

Point-of-Load-Wandler

Als diese Grenze erreicht wurde, verlagerte sich die Aufmerksamkeit auf die Point-of-Load-Wandler (POL). Hier arbeiten leistungsstarke Prozessoren und FPGAs mit einer Kombination aus niedriger digitaler Versorgungsspannung und hohen Taktfrequenzen. Dadurch ändert sich der Strombedarf schnell und erreicht einen hohen Spitzenwert.

Mehrphasige Spannungsregler

Mehrphasige Spannungsregler, wie sie für die Versorgung dieser ICs verwendet werden, machen einen Kompromiss zwischen Einschwingverhalten und Ripplestrom nötig. Das Einschwingverhalten wird begrenzt, da alle Phasen nacheinander Zeit brauchen, um sich einzupendeln. Darüber hinaus ist eine geringere Leistungsdichte möglich, da es impraktikabel ist, die Größe der Induktivität zu verringern und gleichzeitig die mechanische Stabilität zu erhalten. Induktivitäten mit zwei Wicklungen und vier Anschlüssen haben die Entwicklung des Transinduktor-Spannungsreglers (TLVR) ermöglicht, bei dem alle Phasen gleichzeitig reagieren, um ein schnelleres Einschwingverhalten zu erzielen.

WBG und Störemissionen

Die schnellen Schaltübergänge von WBG-Halbleitern stellen Entwickler vor eine Herausforderung: elektrisches Rauschen (EMI). Um dies bei der Entwicklung von Wandlern und Wechselrichtern zu meistern, hat das Unternehmen nanokristalline Kernmaterialien für den Einsatz in EMI-Gleichtaktdrosseln entwickelt, die breitbandige Leistungsfähigkeit in einem kleineren Gehäuse ermöglichen. (bs)