SiC und Wärmemanagement für kompakte Netzteile

Viele Branchen streben einen Quantensprung bei der Leistungsdichte von Netzteilen an, um auch bei kleinerer Bauform höhere Ausgangsleistungen zu erzielen. Server für künstliche Intelligenz (KI) benötigen beispielsweise sowohl die Leistungsfähigkeit von Grafikprozessoren (en: graphics processing units; GPUs) als auch von neuronalen Prozessoren (en: neural processing units; NPUs), um hochkomplexe Sprachmodelle und agentenbasierte KI-Systeme zu unterstützen. Die Telekommunikationsbranche ist auf der Suche nach effizienteren Lösungen, um den immer komplexeren Strombedarf von Mobilfunk-Basisstationen zu decken. Im Bereich der Mobilität wird darüber hinaus die Fähigkeit, mehrere Kilowatt Leistung von einer Wechselstromquelle an ein Schnellladegerät zu liefern, zu einer zentralen Anforderung. 

Mehr Leistung, weniger Hitze: Strategien für effektive Kühlung

Wie gelingt effektives Wärmemanagement bei komplexen elektronischen Baugruppen mit hoher Leistungsdichte? Mit den richtigen Lösungen zur Wärmeableitung lässt sich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich steigern. Ausschlaggebend hierfür ist also die richtige Auswahl des Kühlkörpers sowie des passenden Thermal Interface-Materials.

Maria Cuesta-Martin

Sebastian Mirasol-Menacho

Marisa Robles

Zwar haben die Schaltungstopologie und die Komponententechnologie die Leistungsdichte kontinuierlich erhöht, doch sind weitere Verbesserungen erforderlich, für die Hersteller neuartige mechanische Designoptionen prüfen müssen. Für Leistungswandler mit höherer Dichte sind innovative Designansätze erforderlich, die über die Optimierung einzelner Bauteile hinausgehen. Technologische Veränderungen ermöglichen modifizierte Topologien. Dies bedeutet, dass Fortschritte in den Bereichen Topologie, Bauteile und mechanisches Design unerlässlich sind.

Referenzdesigns beschleunigen die Netzteilentwicklung

Referenzdesigns, die von Halbleiterherstellern entwickelt wurden, geben Kunden wertvolle Einblicke in innovative Designoptionen. Sie veranschaulichen, wie sich durch die Auswahl von Komponenten neue Möglichkeiten eröffnen, ohne dass Kunden dazu umfangreiche Prototyping-Programme durchführen müssen. 

Bei der brückenlosen Umwandlung mit PFC (en: Power Factor Correction; Leistungsfaktorkorrektur) werden beispielsweise weniger Komponenten benötigt, da die Brückengleichrichterschaltung älterer Designs entfällt. Dies wird durch die Umstellung auf Siliziumkarbid (SiC) unterstützt, da SiC im Vergleich zu Silizium-MOSFETs ein schnelleres Schalten ermöglicht und Verluste verringert. Siliziumkarbid ermöglicht aufgrund seines höheren Wirkungsgrades und seiner besseren thermischen Leistung alternative Gehäuseoptionen, u. a. die Oberflächenmontage von Bauteilen. 

Ein weiteres Beispiel ist ein isolierter AC/DC-Wandler mit 3 kW, der eine Semi-Bridgeless PFC-Schaltung in der Eingangsstufe mit einer galvanisch isolierten phasenverschobenen Vollbrückenarchitektur (en: phase-shifted full-bridge; PSFB) im Ausgang kombiniert, wodurch eine höhere Leistungsdichte erreicht wird. Bei diesem Wandlerdesign wurde auf einer bestehenden 1,6-kW-Architektur aufgebaut. In Verbindung mit Änderungen am Leiterplatten-Layout und einem durch Halbleiter mit großer Bandlücke ermöglichten oberflächenmontierbaren Gehäuse konnte die Ausgangsleistung bei nur geringfügiger Zunahme des Gesamtvolumens nahezu verdoppelt werden.

Überwindung der Einschränkungen planarer Designs durch 3D-Designs

Designs von Leistungswandlern basieren häufig auf einem 2D-Layout, bei dem alle Komponenten auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet werden. Die Höhe des gesamten Systems wird durch große passive Komponenten wie Kondensatoren und Transformatoren bestimmt. Bedrahtete Bauteile mit vertikalen Kühlkörpern stellen einen guten Kompromiss zwischen thermischer Leistung und Grundfläche dar. Die freiliegende Metallfahne sorgt zwischen Chip und Kühlkörper für einen Weg mit geringem Wärmewiderstand. 

Bei einem planaren Design, das von hohen passiven Komponenten umgeben ist, ist dieser Gehäusetyp gut geeignet, da der vertikale Kühlkörper nur eine kleine Grundfläche auf der Leiterplatte einnimmt. Dies schränkt jedoch die Möglichkeiten des mechanischen Designs zur Verbesserung der Dichte ein. Eine Aufteilung des Wandlers in Submodule, die auf Tochter-Leiterplatten montiert werden, ist zwar möglich, bringt jedoch bei der Verwendung bedrahteter Bauteile Einschränkungen hinsichtlich der Komponentenhöhe mit sich. Eine entscheidende Rolle spielt der richtige Abstand zwischen den Tochter-Leiterplatten, um die Leistungsbauteile und ihre Kühlkörper unterzubringen. Wenn die Konstruktionen zu hoch sind, geht der Vorteil der vertikalen Tochter-Leiterplatten verloren, da sich dadurch der horizontale Abstand zwischen den Leiterplatten vergrößert. 

Nach der Aufteilung auf Tochter-Leiterplatten ermöglichen Gehäuse mit flacher Bauweise eine vertikale Ausrichtung, wodurch sich die Grundfläche auf der Hauptleiterplatte reduziert. Kompakte Tochter-Leiterplatten müssen nicht wesentlich höher sein als Kondensatoren und andere größere passive Bauteile auf der Hauptleiterplatte – wenn sie ähnlich wie die Kühlkörper angeordnet sind, verbessert sich die Wärmeableitung. Ein korrektes thermisches Design gewährleistet, dass die Zwangsluftkühlung durch einen einzigen Lüfter über die Oberflächen jeder Tochter-Leiterplatte strömen kann. 

Bei herkömmlichen Silizium-Bauteilen müssen in Designs unter bestimmten Umständen Gehäuse verwendet werden, die zu zusätzlichem Platzbedarf führen. SiC zeichnet sich durch ein verbessertes thermisches Verhalten und einen höheren Wirkungsgrad aus. Dadurch sind neue Gehäuseoptionen für Hochleistungs-Schaltbauteile möglich. Dieser hohe Wirkungsgrad in Kombination mit der Fähigkeit von SiC, bei hohen Sperrschichttemperaturen zu funktionieren, ermöglicht den Einsatz oberflächenmontierter Gehäuse – so eröffnen sich neue Möglichkeiten im 3D-Design von Leistungswandlern. Durch die Verwendung von SMD-Gehäusen können kleine Leiterplatten enger beieinander platziert werden. Die in der Praxis umsetzbare Dichte wird dabei von thermischen Überlegungen bestimmt.

Wie kühlt man ein Netzteil?

Da kein Netzteil vollständig verlustfrei arbeitet, entsteht ein Teil der eingesetzten Energie zwangsläufig als Wärme. Eine geeignete Wärmeableitung ist daher entscheidend für Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Stromversorgungen.

Sabine Synkule

Welche Topologie eignet sich für hohe Leistungsdichten?

Um die Vorteile kompakter Schaltbauteile auf Tochter-Leiterplatten zu demonstrieren, wurden mehrere Optionen für die Schaltungstopologie der PFC- und AC/DC-Schaltkreisteile in Betracht gezogen. Vollständig brückenlose Designs reduzieren die Gesamtzahl der diskreten Bauteile, da bei ihnen die Front-End-Dioden einer Gleichrichterbrücke entfallen. Eine halbbrückenlose Topologie bildet jedoch den besten Kompromiss zwischen Dichte und Funktionalität.

Bei einer halbbrückenlosen Dual-Boost-Topologie werden mehrere zusätzliche Dioden (D_aa bis D_dd in Bild 2) verwendet, um Probleme mit Rauschen und Einschaltstrom zu reduzieren. Die Dioden sind jedoch so platziert, dass D_cc und D_dd unmittelbar nach dem Start nicht zum Verhalten der Schaltung beitragen.

Die von Toshiba-Ingenieuren entwickelte PFC-Stufe verwendet zwei wichtige SiC-Bauteile: den 650-V-Enhancement-Mode-MOSFET TW092V65C und die Schottky-Barrier-Diode TRS12V65H. Beide Bauteile sind in kompakten DFN8x8-Gehäusen mit Wärmeableitungsflächen auf der Unterseite untergebracht, was die thermische Leistung verbessert. Der MOSFET weist einen Einschaltwiderstand < 100 mΩ auf und ist mit einer On-Die-Schottky-Diode ausgestattet. Dadurch wird die Entstehung von Kristalldefekten im MOSFET-Bereich während des Sperrbetriebs reduziert.

Der PFC-Ausgang speist einen phasenverschobenen Vollbrückenwandler (PSFB). Dieser transformiert die Spannung über einen Transformator und eine Glättungsstufe auf 50 V herunter. Der PSFB-Wandler verwendet vier primärseitige MOSFETs mit antiparallelen Schottky-Dioden. Dadurch ist ein Nullspannungsschalten (en: zero-voltage switching; ZVS) möglich, wodurch sich wiederum die Verluste bei hoher Leistung minimieren lassen. In dieser Stufe kommt der SiC-MOSFET TW027U65C in einem TOLL-Gehäuse mit Metallpad zum Einsatz, um eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten. 

Aufgrund der Spannungs- und Schaltanforderungen benötigen Hochfrequenz-Schaltbauteile in den PFC- und PSFB-Stufen die höchste thermische Leistungsfähigkeit. Diese Komponenten können auf speziellen Tochter-Leiterplatten untergebracht werden, während größere passive Bauteile, z. B. Transformatoren und Induktoren, auf der Hauptleiterplatte bleiben. Diese Aufteilung verbessert die Flexibilität des Layouts, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen, da Lötverbindungen mit geringem Widerstand eine hohe Leitfähigkeit gewährleisten.

Dank Fortschritten in der SiC-Technologie kann die Ausgangsleistung mit dem aktuellen Design von 1,6 kW auf etwa 3 kW gesteigert werden. Ein Design mit mehreren Leiterplatten verbessert trotz des Bedarfs an größeren Kondensatoren die Leistungsdichte um 34 %.

Thermisches als Schlüssel zum Erfolg bei Netzteildesign

Bei einer derart starken Erhöhung der Leistungsdichte wird das thermische Verhalten zu einem Problem. Eine unzureichende Wärmeabfuhr aus den Schaltkreisen beeinträchtigt deren Leistung. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit der DFN- und TOLL-Gehäuse über die Unterseite relativ hoch ist, war eine zusätzliche Optimierung des thermischen Designs erforderlich, um den Nutzen der neuen Aufteilung und des Layouts voll auszuschöpfen.

Bei der Bewertung des ersten Prototyps zeigte sich, dass sich bei zwei Leistungshalbleitern auf der PFC-Tochter-Leiterplatte Hotspots bildeten. Ohne Gegenmaßnahmen kann der durch die Schaltaktivität verursachte Temperaturanstieg (ΔTc) das Dreifache des internen Grenzkriteriums von 60 °C erreichen. Die Ausgangsleistung müsste in diesem Fall auf 1,4 kW begrenzt werden. 

Um die Ausgangsleistung zu maximieren, muss die thermische Leitfähigkeit erhöht werden. Die Wärmeabfuhr zum rückseitig montierten Kühlkörper jeder Tochter-Leiterplatte kann verbessert werden, indem in den Wärmeleitpad des Footprints Durchkontaktierungen hinzugefügt werden. Ferner ergaben Simulationen, dass das Füllen dieser Durchkontaktierungen die Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöhen und den gemessenen ΔTc-Wert der heißesten Bauteile um mehr als 50 Prozent senken würde. 

Effiziente Entwärmungskonzepte für mehr Sicherheit und Lebensdauer

Effiziente Entwärmungskonzepte sind eine zentrale Voraussetzung für die Funktionssicherheit und Lebensdauer elektronischer Bauteile. Je nach Anwendung kommen passive, aktive und materialgestützte Lösungen zum Einsatz.

Jürgen Harpain

Die Wärmeleitfähigkeit konnte durch den Wechsel des Füllmaterials in den Durchkontaktierungen zu einem elektrisch leitfähigen Material weiter verbessert werden. Durch die Verlagerung von zwei kleinen Transformatoren auf die Vorderseite der Tochter-Leiterplatte konnten zwei separate Kühlkörper durch einen einzigen, größeren ersetzt werden. In Verbindung mit einer Erhöhung der Leiterplattenstärke führte diese Änderung zu einem deutlich unter dem kritischen Wert von 60 °C liegenden ΔTc-Wert. Während physikalische Tests zeigten, dass das überarbeitete Design problemlos eine Ausgangsleistung von bis zu 3,1 kW bewältigen konnte, ergab die Wärmebildaufnahme, dass einer der MOSFETs auf der PFC-Tochter-Leiterplatte deutlich heißer wurde. Daher war eine weitere Optimierung des thermischen Designs erforderlich.

Es stellte sich heraus, dass der Kühlkörper, der mit drei Schrauben befestigt war, nicht richtig an der Rückseite der Leiterplatte anlag. Dadurch erhitzte sich der Bereich unter dem Transistor zu stark. Durch eine kleine Designänderung, bei der zwei Verbindungspunkte entlang einer Diagonale eingeführt wurden, konnte die Ausrichtung verbessert werden. Aus diesem Grund entschied sich das Team für ein Design mit vier Schrauben in den Ecken des Kühlkörpers um während des Betriebs eine homogene Kompression zu erreichen. Dadurch sank der ΔTc-Wert aller Leistungshalbleiter auf der PFC-Tochter-Leiterplatte auf unter 50 °C.

Erzielung einer besseren Leistungsdichte

Durch ein angepasstes Bauteilgehäuse sowie optimierte Schaltungstopologie, Layout und Thermik – alles unterstützt durch simulationsgestützte Optimierung – wurde ein besseres Verständnis dafür gewonnen, wie sich bei kleineren Bauteilgehäusen höhere Leistungsniveaus erzielen lassen. Dadurch zeigte sich, dass es möglich ist, den steigenden Leistungsanforderungen vieler Branchen gerecht zu werden, und die Leistungsdichte eines Designs um mehr als 30 % zu steigern. Dieser Prozess schuf die Grundlage für einen Leistungswandler, der eine Leistung von 3 kW bei einem Volumen von 2400 cm³ aufrechterhalten kann und somit eine Leistungsdichte von 1,25 W/cm³ erzielt. 

Dieser Prozess unterstrich außerdem die Bedeutung von Referenzdesigns: Diese zeigen nämlich auf, wie schnell sich ein Kunde an neuartige Techniken anpassen kann, um seine eigenen Leistungs-Subsysteme hinsichtlich Kapazität und Effizienz zu optimieren. Durch relativ geringfügige Änderungen an den Topologien und der Komponentenauswahl kann ein Entwickler Leistungswandler für eine Reihe von Märkten entwickeln – von der Telekommunikation bis zur E-Mobilität. Dies ist letztlich ein hervorragender Beweis für das kombinierte Potenzial von SiC und Gehäuseinnovationen.

Ausführliche Unterlagen zu diesem und anderen Referenzdesigns von Toshiba stehen im Referenzdesign-Center von Toshiba zur Verfügung.