Der Trend hin zu größerer Leistungsdichte ist schon seit Jahrzehnten in der Branche präsent und wird wohl auch weiter andauern. Abbildung 1 zeigt, wie stark sich die Größe von Wandlern für Stromversorgungsmodule von 6 A bis 10 A in den letzten Jahren verändert hat. Technische Entwicklungen sorgen unter Umständen für erhebliche Fortschritte bei der Verringerung der Größe oder bei der Leistungsabgabe. Jede durchgezogene Linie repräsentiert eine neue Generation von Technologien und zeigt, wie sehr sich die Leistungsdichte im Lauf der Jahre verbessert hat.

Abbildung 1 Mit jeder neuen Generation werden SV-Module im Lauf der Zeit immer kleiner.

Fortschritte bei der Leistungsdichte führen häufig zu Entwicklungen auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise bei der Effizienz oder bei den Kosten. Allgemein gesagt führen grundlegende Effizienzverbesserungen bei der Stromumwandlung zu kleineren Lösungen. Und kleinere Lösungen zahlen sich aus: einhergehende Materialeinsparungen, weniger Komponenten, bessere Kostenstrukturen, höhere Lösungsintegration und geringere Gesamtbetriebskosten tragen zu niedrigeren Kosten bei.

Leistungsdichte ist eine physikalische Größe, die bezeichnet, wie viel Leistung in einem gegebenen Raum umgesetzt werden kann. Sie steht im Verhältnis zum umgebenden Volumen und wird in Watt pro Kubikmeter (W/m³) oder in Watt pro Kubikzoll (W/in³) angegeben. Diese Werte ergeben sich aus der Versorgungsleistung des Wandlers und der Gehäusegröße (Länge mal Breite mal Höhe) der Stromversorgung, einschließlich aller enthaltenen Komponenten (siehe Abbildung 2). Dabei ist es möglich, die Einheiten auf den entsprechenden Leistungspegel oder die entsprechende Größe zu skalieren. Kilowatt pro Liter ist z. B. eine häufig verwendete Gütezahl (FoM, en: „Form of Merit“) für bordeigene Batterieladegeräte in Elektrofahrzeugen, weil sie Strom in Kilowatt-Einheiten (zwischen 3 kW und 22 kW) bereitstellen.

Abbildung 2 Active-Clamp-Sperrwandler mit 65 Watt in den Maßen 65 × 28 × 25 mm.

Stromdichte ist eine recht sinnvolle Maßeinheit im Zusammenhang mit der Leistungsdichte und wird als Strom pro Volumeneinheit in Einheiten von Ampere pro Kubikzoll oder Ampere pro Kubikmillimeter angegeben. Dabei wird die Stromdichte anhand des Nennstrom des Wandlers (in der Regel der Eingangs- oder Ausgangsstrom) berechnet.

Stromdichte eignet sich zumeist besser als Gütezahl für Anwendungen mit Point-of-Load-Spannungsreglern. Die Größe dieser Konstruktionen erhöht sich proportional zum Ausgangsstrom; die Ausgangsspannung ist üblicherweise niedrig und liegt bei ca. 1 V. Der Wert für die Leistungsdichte kann durch Ansetzung eines unrealistisch hohen Werts für die Ausgangsspannung künstlich erhöht werden. Da in diesem Fall die Ausgangsspannung ganz aus der Gleichung entfernt wird, ist die Stromdichte für derartige Messungen besser geeignet.

Es gibt auch Fälle, in denen die volumetrische Dichte keine wesentliche Rolle spielt. Die Leistungselektronik einer Anwendung ist möglicherweise dann nicht größenabhängig, wenn andere Elemente des Designs noch viel größer sind. Stattdessen könnte der verfügbare Platz auf der Platine der limitierende Faktor sein. Um die Leistungsdichte in einem solchen Fall zu verbessern, müssen Möglichkeiten zum Stapeln oder zur dreidimensionalen Integration von Komponenten zur Reduzierung des Platzbedarfs der Stromversorgungslösung gefunden werden. Anschließend müssen die Messwerte für den Vergleich von Lösungen auf Watt pro Quadratmillimeter bzw. Ampere pro Quadratzoll geändert werden, um das wichtigste Entwicklungsziel zu veranschaulichen (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 Ein Point-of-Load-Wandler mit 10 A in der Größe von 13,1 × 10 mm ergibt eine Stromdichte von 76 mA/mm².

Je nach Anwendung kann die Leistungsdichte auf unterschiedliche Weise angegeben werden, das Ergebnis bleibt aber gleich: je kleiner die Lösung, desto höher die Leistungsdichte. Jetzt müssen wir uns die Frage stellen, was wir tun können, um die Leistungsdichte zu erhöhen.

Seit Jahren bemühen sich Experten und Forscher darum, Möglichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte zu finden. Genau darin liegt die Herausforderung. Zumeist wurde sich darauf konzentriert, die für die Energieumwandlung verwendeten passiven Bauteile zu verkleinern. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, benötigen Induktoren, Kondensatoren, Transformatoren und Kühlkörper in bei der Stromversorgung normalerweise meisten Platz. Halbleiterschalter und Steuerschaltkreise sind erheblich kleiner und besser integriert.

Abbildung 4 Passive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren können sehr viel Raum einnehmen.

Wie kann die Größe von passiven Bauteilen verringert werden? Eine einfache Lösung besteht darin, die Schaltfrequenz zu erhöhen. Die passiven Bauteile in Schaltwandlern speichern Energie und geben diese mit jedem Schaltzyklus ab. Wenn wir die Schaltfrequenzen erhöhen, wird für jeden dieser Schaltzyklen weniger Energiespeicher gebraucht. Beispiel: Gleichung 1 als Entwicklungsgleichung für den Induktor in einem Abwärtswandler:

Wo

• L ist die Induktivität
• D ist die relative Einschaltdauer
• ΔI_L ist die Welligkeit des Induktorstroms
• f_SW ist die Schaltfrequenz
• V_L ist die Spannung über den Induktor

Die benötigte Induktivität (L) ist umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz (f_SW). Mit zunehmender Schaltfrequenz nimmt die Induktivität ab. Geringere Induktivität führt dazu, dass kleinere Induktoren verwendet werden können und Platz eingespart wird. Abbildung 5 zeigt den Größenunterschied der benötigten Induktoren in einer 3-A-/36-V-Wandlerschaltung bei 400 kHz gegenüber 2 MHz.

Abbildung 5 Größenvergleich eines 3-A-/36-V-Wandlers mit 400 kHz (links) und 2 MHz (rechts).

Es gibt aber auch noch andere Vorteile bei der Verwendung einer höheren Schaltfrequenz. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz lässt sich die Bandbreite der Regelkreise erhöhen, wodurch die Einschwingleistung mit geringerer Ausgangskapazität erreicht werden kann. Filter für elektromagnetische Störungen (EMI) mit Differenzmodus können mit weniger Induktivität und Kapazität entwickelt werden. Somit können kleinere Transformatoren verwendet werden, ohne das magnetische Kernmaterial zu sättigen.

Warum also nicht einfach die Schaltfrequenz erhöhen? Wie sich herausstellt, ist dies leichter gesagt als getan. Auch wenn Sie alle passiven Elemente, die in Leistungswandlern verwendet werden, auf ein ganz geringes Maß verkleinert haben, gibt es auch immer noch andere Möglichkeiten, die Größe der Stromversorgungslösung zu verringern. Leistungsschalter, Gate-Treiber, Modus-Setting-Widerstände, Rückkopplungs-Netzwerkkomponenten, EMI-Filter, Stromsensor- Komponenten, Schnittstellen-Schaltungen, Kühlkörper und viele andere Komponenten besetzen wertvollen Platz. In all diesen Bereichen des Gesamtleistungsdesigns können innovative Ideen angewendet werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Lassen Sie uns gemeinsam ansehen, welche Komponenten dafür verantwortlich sind, dass wir die Leistungsdichte nicht so einfach erhöhen können.

Obwohl die Erhöhung der Schaltfrequenz die Leistungsdichte erhöhen kann, gibt es einen Grund, warum Stromwandler heute normalerweise nicht höher als bis zum Megahertz-Bereich schalten. Die Erhöhung der Schaltfrequenz hat einen unerwünschten Nebeneffekt, nämlich erhöhte Schaltverluste und einen damit verbundenen Temperaturanstieg. Dies wird hauptsächlich durch einige dominante Schaltverluste verursacht.

Um diese Schaltverluste verstehen zu können, sind zunächst einige branchenübliche Begriffe zu erklären. Bei Halbleiterbauteilen hängt die Ladungsmenge üblicherweise mit dem Durchlasswiderstand zusammen. Ein geringerer Widerstand am Durchlass führt zu höherer Gate-Ladung und parasitärer Kapazität. Dieses Gleichgewicht zwischen Widerstand und Ladung wird häufig durch den als Durchlasswiderstand des Geräts definierten RQ-FoM quantifiziert, multipliziert mit der Gesamtladung, die an das Terminal geliefert werden muss, um den Baustein bei einer Betriebsspannung zu schalten. Darüber hinaus wird der Bereich, den ein Baustein einnimmt, um einen Zielwiderstand zu erreichen, oft als „Rsp“ bezeichnet. Leitungsverluste können durch Verringerung des Durchlasswiderstands (R_DS(on)) des MOSFET reduziert werden. Allerdings steigen durch die Verringerung des Einschaltwiderstands auch die durch die Schaltung bedingten Verluste des Geräts und damit auch Platzbedarf und Kosten.

Je nach Implementierung und Anwendung können sich die verschiedenen Schaltverluste unterschiedlich auf die Gesamtverlustleistung auswirken. Einzelheiten zu den einzelnen Verlustarten siehe Anwendungshinweis Leistungsverlustberechnung unter Berücksichtigung der Common-Source-Induktivität bei Synchron-Abwärtswandlern. Für die Zwecke des vorliegenden Dokuments werden die wichtigsten limitierenden Faktoren zu den Verlustkomponenten am Beispiel eines Abwärtswandlers erläutert.

Bei jedem festgeschalteten DC/DC-Wandler benötigt das Laden und Entladen von parasitären Kapazitäten im System eine gewisse Menge Energie. Für eine gegebene Schalttechnik und Nennspannung werden diese Verluste nach Gleichung 2 und Gleichung 3 wie folgt geschätzt:

Wo

• C_DS ist die Drain-Source-Kapazität des MOSFET
• V_DS ist die Drain-Source-Spannung des MOSFET
• f_SW ist die Schaltfrequenz
• Q_G ist die Gate-Ladung
• V_G ist die Gate-Source-Spannung

Wie aus Gleichung 2 und Gleichung 3 hervorgeht, können diese Verluste vor allem durch die Verringerung der Schaltfrequenz gemindert (nicht erwünscht), die ladungsbedingten FoMs (QG und CDS) des MOSFET verbessert oder ein Kompromiss zwischen Leitungsverlusten und Schaltverlusten gefunden werden.

In einem Abwärtswandler tritt eine Sperrverzögerung auf, wenn der High-Side-MOSFET eingeschaltet wird, während die Bodydiode des Low-Side-MOSFET Strom leitet, wodurch der Strom der Low-Side-Diode gezwungen wird, schnell auf den High-Side-MOSFET überzugehen. Bei diesem Übergang wird zur Entfernung der Minoritätsladung der Low-Side-Diode, die einen direkten Schaltverlust verursacht, ein Strom benötigt; siehe Gleichung 4.

Einer der besten Ansätze zur Verringerung der Auswirkungen der Sperrverzögerung von Dioden besteht darin, die gespeicherte Ladung (Q_RR) durch ein optimiertes MOSFET-Design zu reduzieren oder die Totzeit der steigenden Flanke zu verringern bzw. zu eliminieren, sodass die Auswirkungen des Verlusts komplett rückgängig gemacht werden.