Das innovative Grundplattendesign in AC/DC-Wandlern von RECOM ist für Anwendungen in Industrie und Medizintechnik die perfekte Alternative zur Verwendung von Lüftern.
27.04.2020
Die Leistungsdichte von AC/DC-Wandlermodulen steigt, erfordert aber häufig eine forcierte Lüftung, um ihre angegebene Leistung zu erreichen. Die Fremdkühlung mit mechanischen Lüftern führt jedoch zu Problemen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lautstärke und Staubbelastung. Eine Grundplattenkühlung löst all diese Probleme, aber nur, wenn der Wandler von Anfang an so konstruiert ist, um ableitende Kühlmaßnahmen zu nutzen. Das sind die neuen Baureihen RACM230-G und RACM550-G von RECOM, die eine hohe Leistung im kleinen Gehäuse liefern und eine Reihe weiterer nützlicher Merkmale aufweisen.
Vorsicht bei Vergleichen der Leistungsdichte
Die Spezifikation der Leistungsdichte eines AC/DC-Wandlers ist ein gutes Vergleichsmaß, solange die Umgebungsbedingungen vergleichbar und realistisch sind – manche kostenaufwändige High-End-Module in Sondergehäusen können eindrucksvolle Werte von mehr als 100W/Kubikzoll (6W/cm3) erreichen, aber brauchen oft übermäßig große oder wassergekühlte Kühlkörper und erreichen ihre kompakte Größe mitunter durch Weglassen großer externer Bauteile wie dem Eingangsfilter und dem Gleichrichter-Elektrolytkondensator. Für typische Anwendungen, bei denen Kosten und einfacher Einsatz wichtig sind, erfolgt ein realistischer Vergleich zwischen Modulen in Industrie-Standardgrößen wie 5” x 3” oder 4” x 2”, die vollständig integriert sind und keine externen Bauteile mehr erfordern.
Diese AC/DC-Wandler werden auf ihren Datenblättern normalerweise mit der höchstmöglichen Ausgangsleistung unter optimalen Betriebsbedingungen betitelt. Um realistisch zu sein, mögen Anwendungen mit optimalen AC-Eingangsspannungen und Luftströmen eher Ausnahmefälle sein, somit ist Ingenieursleistung angebracht. In manchen Produkt-Datenblättern sind für die Kühlung Luftströme von mehr als 35 m3/h (20 CFM) angegeben, um die volle Nennleistung zu erreichen, was üblicherweise einen Axiallüfter der Größe 60mm x 60mm x 25mm direkt neben dem Wandler erfordert, der Zuluft mit Raumtemperatur erhält und einen direkten, ungehinderten Weg zum Ausblasen der erwärmten Luft beinhaltet. Abbildung 1 zeigt, wie dies berechnet wird. Der Lüfter kann aber leicht ein Viertel der Größe des Wandlers einnehmen, einige Euro kosten und selbst 1,5 Watt verbrauchen.
Abbildung 1: Berechnung des Luftstroms aus der gegebenen abzuführenden Wärmemenge und der gewünschten Temperaturdifferenz
Ein dezidiert eingebauter Lüfter ist nicht immer praktisch, jedoch sind größere Systemlüfter eventuell nicht in der Lage die punktuell nötige Beströmung bereitzustellen.
Lüfter schaffen außerdem noch andere Probleme; sie haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 30.000 Stunden bei 50°C für Gleitlager und etwa doppelt so lange für die teureren Kugellagerausführungen. Bei höheren Temperaturen sinkt die erwartete Lebensdauer drastisch. Abbildung 2 zeigt eine typische Kurve der Lebenserwartung für eine Überlebensrate von 90% in einem Bestand von Kugellager-Lüftern.
Abbildung 2: Typische Kurve der Lebenserwartung eines Lüfters (Überlebensrate von 90%)
Auch die mit dem Alter der Bauteile zunehmende Geräuschentwicklung kann ein Problem sein. In manchen Anwendungsbereichen wie Medizintechnik und Rundfunkübertragung sind jegliche Hintergrundgeräusche unerwünscht. Lüfter können die Staubverunreinigung der Elektronik zusätzlich beschleunigen. Intelligente Lösungen über Temperatur-geregelte Lüfter mindern diese Probleme in gewissem Umfang.
Praktische Kühllösungen
Eine Lösung um mechanische Lüfter zu umgehen, ist es überdimensionierte Netzgeräte zu spezifizieren um diese unter reduzierter Leistungsentnahme mit Konvektionskühlung einzusetzen. Leider zeigen die für Lüfterkühlung konstruierten Produkte bei fehlendem Luftstrom häufig eine starke Leistungsminderung. Abbildung 3 stellt ein typisches Beispiel dar, wo für eine Nennleistung von 500W 21 CFM Luftstrom erforderlich ist, und bei natürlicher Konvektion lediglich maximal 125W zu Verfügung stehen.
Abbildung 3: Typische Kurven der Leistungsminderung für einen 3” x 5” AC/DC-Wandler, der für Fremdkühlung konstruiert wurde
Ein offensichtlicher Nachteil sind die zusätzlichen Kosten für einen überdimensionierten Wandler, und es gibt noch weitere Aspekte; ein bei nur 125W betriebener 500W-Wandler wird bei geringer Belastung unter suboptimalem Wirkungsgrad betrieben.
Leitungskühlung kann effektiv sein
Abbildung 3 zeigt für den Fall, dass der Wandler, wenn er an einer kalten Wand, einem massiven Gerätegehäuse oder einem großen Kühlkörper angebracht ist, etwas mehr Leistung von rund 200W bis zu 50°C liefern kann. Der Grund für die nur minimale Verbesserung gegenüber der Konvektionskühlung liegt darin, dass das Produkt für diesen Zweck mit einem guten Wärmeübertragungsweg von den heißen Bauteilen zur Grundplatte konstruiert sein muss.
Ein gutes Beispiel einer Produktreihe, die das erreicht, sind die neuen Wandler RACM230-G und RACM550-G von RECOM bei deren Entwicklung besonderes Augenmerk gelegt wurde auf die Minimierung des thermischen Widerstands zwischen kritischen Bauteilen wie den Leistungsschaltern und Stromwandlern zu ihren Grundplatten. Die resultierende Leistung des RACM550-G ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Baureihe erlaubt volle 300W Dauerleistung bis zu 50°C. Das sind 50% mehr gegenüber dem Beispiel in Abbildung 3 und mit 225W mehr als doppelt so viel Leistung bei 70°C Umgebungstemperatur. Darüber hinaus ist auch die Leistung mit Konvektionskühlung wesentlich besser, da die thermisch eng gekoppelten Grundplatten eine gute Oberfläche für die Wärmeabgabe in ruhender Luft bilden, verglichen mit den heißen Stellen lokaler Bauteile im Beispiel der Abbildung 3.
Abbildung 4: Die thermische Leistung der Baureihen RECOM RACM550-G
Bei einigen Anwendungen kann es, je nach Lastzyklus, Anforderungen für eine hohe Spitzenlast oder hohen Anlaufstrom geben sowie eine Möglichkeit, mehr kurzfristige Leistung zu erzielen. Im Datenblatt des RACM550-G gibt RECOM eine hilfreiche Anleitung zur Berechnung der maximalen durchschnittlichen Last anhand der Kühlbedingungen, Spitzenlast und Einschaltdauer. Eine Beispielberechnung für das Produkt zeigt, dass eine Last mit 550W Spitze und 81W Entlastungsphase sowie einer Einschaltdauer von 10 Sekunden Spitze und 40 Sekunden Erholung die durchschnittliche Ausgangsleistung mit etwas Sicherheitspuffer auf 245W bringt. Gemäß Abbildung 4 wird das vom Produkt mit natürlicher Konvektion bis zu 40°C Umgebungstemperatur oder mit Grundplatten-Leistungskühlung bis fast 65°C erzielt.
Der Wandler RACM230-G bietet eine Spitzenausgangsleistung von 230W in einem kompakten 4”x 2”-Gehäuse und kann auch eine Dauerleistung von 135W bei bis zu 50°C Umgebungstemperatur einfach mit Grundplatte und natürlicher Konvektionskühlung bereitstellen. Eine weitere wichtige Angabe ist die maximale Ausgangsleistung bei geringerer Eingangsspannung; alle AC-Module liefern unter 230V AC Netzspannung mehr Ausgangsleistung als mit 115V AC, weil sich die Eingangsstrombelastung bei doppelter Eingangsspannung halbiert. Die Modelle RACM230-G und RACM550-G sind Netzteile für Universal-Eingangsspannung. Mit Fremdkühlung ist die Nennleistung unabhängig von der Eingangsspannung, solange diese nicht unter 110V AC fällt. Für den RACM230-G besteht bei Kühlung über die Baseplate kein Unterschied der Nennleistung von 160W über den Bereich von 230V AC bis 115V AC Eingangsspannung.
EMV und medizinische Spezifikationen lassen sich mit Leitungskühlung erfüllen
Die für eine wirksame Leitungskühlung verwendeten Designtechniken für einen geringen thermischen Widerstand zur Grundplatte können zu Problemen mit leitungsgebundenen elektrischen Störungen des Wandlers führen. EMV-Standards wie EN55032:2015 spezifizieren zulässige Level der sogenannten „Gleichtakt“-Störungen, die mit der physikalischen Nähe der Schaltelemente zur Grundplatte zunehmen. Wenn Produkte mit Leitungskühlung primär für die Fremdkühlung konstruiert werden, können komplexe und teure Abschirmungen und zusätzliche Filterung nötig sein, um regulatorische Compliance zu ermöglichen. Umfangreiche Filtermaßnahmen verursachen andererseits zusätzliche AC-Ableitströme, welche den Einsatz der Stromversorgung in vielen sensiblen Anwendungen wie etwa medizinischen Geräten verhindern. Die RECOM-Baureihe RACM550-G verwendet einen inhärent störarmen „LLC“-Resonanzkreis, der die Notwendigkeit umfangreicher Eingangsfilter vermeidet, so dass das Produkt die strengeren Grenzwerte von EN55032:2015 Class B einhält und einen Ableitstrom von nur 0,25mA aufweist. Damit ist sie für den Einsatz in medizinischen Geräten für Körperanwendung (B) und Potentialfreier Körperanwendung (BF) geeignet.
Um den Einsatz der Baureihen RACM230-G und RACM550-G in medizinischen Anwendungen zu erleichtern, wurden diese nach den medizinischen Standards ANSI/AAMI 60601-1 und EN60601-1 (Sicherheit) sowie EN60601-1-2 (EMV) zertifiziert. Die Zertifizierung auf das strikte Maß 250V AC/2MOPP (Maßnahmen des Patientenschutzes) macht das Produkt für zahlreiche Anwendungen im Krankenhaus geeignet sowie für andere Gesundheitsanwendungen wie in der Zahnmedizin. Weitere Zertifizierungen umfassen Haushalts-, Industrie- und ITE-Anwendungen und machen diese Produkte zu Allrounder, die für viele verschiedene Umgebungen und Applikationen geeignet sind.
Eine Reihe von Zertifizierungen und Merkmalen
Die Baureihen RACM230-G und RACM550-G verfügen über allgemeine weltweite Sicherheitszertifizierungen einschließlich der neuesten Anforderungen gemäß IEC/EN/UL62368 und sind konform mit der ErP Ecodesign-Richtlinie Lot 6 der Europäischen Kommission sowie der US DoE Level VI-Spezifikation für Standby-Verluste. Verluste bei geringer Last werden minimiert und der Wirkungsgrad bei 230V AC Eingangsspannung bleibt bis hinab zu 20% Last größer als 90%.
Weitere Merkmale der Baureihen umfassen:
Die Schutzmaßnahmen beider Baureihen sind umfangreich, einschließlich des Schutzes vor Kurzschluss, Überspannung, Überstrom und Übertemperatur und automatischer Wiederherstellung nach einer Störung. Die Produkte sind als „open frame“ oder mit optionalem Metallgehäuse erhältlich.
Das österreichische Unternehmen RECOM hat mit der hohen Leistungsdichte und flexiblen Kühlanordnung der neuen Baureihen RACM230-G und RACM550-G erneut den Standard für Leistung zum erschwinglichen Preis gesetzt. Weitere Produkte mit der innovativen Grundplatten-Kühltechnik sind geplant.
RECOM: We Power your Products
Die Spezifikation der Leistungsdichte eines AC/DC-Wandlers ist ein gutes Vergleichsmaß, solange die Umgebungsbedingungen vergleichbar und realistisch sind – manche kostenaufwändige High-End-Module in Sondergehäusen können eindrucksvolle Werte von mehr als 100W/Kubikzoll (6W/cm3) erreichen, aber brauchen oft übermäßig große oder wassergekühlte Kühlkörper und erreichen ihre kompakte Größe mitunter durch Weglassen großer externer Bauteile wie dem Eingangsfilter und dem Gleichrichter-Elektrolytkondensator. Für typische Anwendungen, bei denen Kosten und einfacher Einsatz wichtig sind, erfolgt ein realistischer Vergleich zwischen Modulen in Industrie-Standardgrößen wie 5” x 3” oder 4” x 2”, die vollständig integriert sind und keine externen Bauteile mehr erfordern.
Diese AC/DC-Wandler werden auf ihren Datenblättern normalerweise mit der höchstmöglichen Ausgangsleistung unter optimalen Betriebsbedingungen betitelt. Um realistisch zu sein, mögen Anwendungen mit optimalen AC-Eingangsspannungen und Luftströmen eher Ausnahmefälle sein, somit ist Ingenieursleistung angebracht. In manchen Produkt-Datenblättern sind für die Kühlung Luftströme von mehr als 35 m3/h (20 CFM) angegeben, um die volle Nennleistung zu erreichen, was üblicherweise einen Axiallüfter der Größe 60mm x 60mm x 25mm direkt neben dem Wandler erfordert, der Zuluft mit Raumtemperatur erhält und einen direkten, ungehinderten Weg zum Ausblasen der erwärmten Luft beinhaltet. Abbildung 1 zeigt, wie dies berechnet wird. Der Lüfter kann aber leicht ein Viertel der Größe des Wandlers einnehmen, einige Euro kosten und selbst 1,5 Watt verbrauchen.
Abbildung 1: Berechnung des Luftstroms aus der gegebenen abzuführenden Wärmemenge und der gewünschten Temperaturdifferenz
Ein dezidiert eingebauter Lüfter ist nicht immer praktisch, jedoch sind größere Systemlüfter eventuell nicht in der Lage die punktuell nötige Beströmung bereitzustellen.
Lüfter schaffen außerdem noch andere Probleme; sie haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 30.000 Stunden bei 50°C für Gleitlager und etwa doppelt so lange für die teureren Kugellagerausführungen. Bei höheren Temperaturen sinkt die erwartete Lebensdauer drastisch. Abbildung 2 zeigt eine typische Kurve der Lebenserwartung für eine Überlebensrate von 90% in einem Bestand von Kugellager-Lüftern.
Abbildung 2: Typische Kurve der Lebenserwartung eines Lüfters (Überlebensrate von 90%)
Auch die mit dem Alter der Bauteile zunehmende Geräuschentwicklung kann ein Problem sein. In manchen Anwendungsbereichen wie Medizintechnik und Rundfunkübertragung sind jegliche Hintergrundgeräusche unerwünscht. Lüfter können die Staubverunreinigung der Elektronik zusätzlich beschleunigen. Intelligente Lösungen über Temperatur-geregelte Lüfter mindern diese Probleme in gewissem Umfang.
Praktische Kühllösungen
Eine Lösung um mechanische Lüfter zu umgehen, ist es überdimensionierte Netzgeräte zu spezifizieren um diese unter reduzierter Leistungsentnahme mit Konvektionskühlung einzusetzen. Leider zeigen die für Lüfterkühlung konstruierten Produkte bei fehlendem Luftstrom häufig eine starke Leistungsminderung. Abbildung 3 stellt ein typisches Beispiel dar, wo für eine Nennleistung von 500W 21 CFM Luftstrom erforderlich ist, und bei natürlicher Konvektion lediglich maximal 125W zu Verfügung stehen.
Abbildung 3: Typische Kurven der Leistungsminderung für einen 3” x 5” AC/DC-Wandler, der für Fremdkühlung konstruiert wurde
Ein offensichtlicher Nachteil sind die zusätzlichen Kosten für einen überdimensionierten Wandler, und es gibt noch weitere Aspekte; ein bei nur 125W betriebener 500W-Wandler wird bei geringer Belastung unter suboptimalem Wirkungsgrad betrieben.
Leitungskühlung kann effektiv sein
Abbildung 3 zeigt für den Fall, dass der Wandler, wenn er an einer kalten Wand, einem massiven Gerätegehäuse oder einem großen Kühlkörper angebracht ist, etwas mehr Leistung von rund 200W bis zu 50°C liefern kann. Der Grund für die nur minimale Verbesserung gegenüber der Konvektionskühlung liegt darin, dass das Produkt für diesen Zweck mit einem guten Wärmeübertragungsweg von den heißen Bauteilen zur Grundplatte konstruiert sein muss.
Ein gutes Beispiel einer Produktreihe, die das erreicht, sind die neuen Wandler RACM230-G und RACM550-G von RECOM bei deren Entwicklung besonderes Augenmerk gelegt wurde auf die Minimierung des thermischen Widerstands zwischen kritischen Bauteilen wie den Leistungsschaltern und Stromwandlern zu ihren Grundplatten. Die resultierende Leistung des RACM550-G ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Baureihe erlaubt volle 300W Dauerleistung bis zu 50°C. Das sind 50% mehr gegenüber dem Beispiel in Abbildung 3 und mit 225W mehr als doppelt so viel Leistung bei 70°C Umgebungstemperatur. Darüber hinaus ist auch die Leistung mit Konvektionskühlung wesentlich besser, da die thermisch eng gekoppelten Grundplatten eine gute Oberfläche für die Wärmeabgabe in ruhender Luft bilden, verglichen mit den heißen Stellen lokaler Bauteile im Beispiel der Abbildung 3.
Abbildung 4: Die thermische Leistung der Baureihen RECOM RACM550-G
Bei einigen Anwendungen kann es, je nach Lastzyklus, Anforderungen für eine hohe Spitzenlast oder hohen Anlaufstrom geben sowie eine Möglichkeit, mehr kurzfristige Leistung zu erzielen. Im Datenblatt des RACM550-G gibt RECOM eine hilfreiche Anleitung zur Berechnung der maximalen durchschnittlichen Last anhand der Kühlbedingungen, Spitzenlast und Einschaltdauer. Eine Beispielberechnung für das Produkt zeigt, dass eine Last mit 550W Spitze und 81W Entlastungsphase sowie einer Einschaltdauer von 10 Sekunden Spitze und 40 Sekunden Erholung die durchschnittliche Ausgangsleistung mit etwas Sicherheitspuffer auf 245W bringt. Gemäß Abbildung 4 wird das vom Produkt mit natürlicher Konvektion bis zu 40°C Umgebungstemperatur oder mit Grundplatten-Leistungskühlung bis fast 65°C erzielt.
Der Wandler RACM230-G bietet eine Spitzenausgangsleistung von 230W in einem kompakten 4”x 2”-Gehäuse und kann auch eine Dauerleistung von 135W bei bis zu 50°C Umgebungstemperatur einfach mit Grundplatte und natürlicher Konvektionskühlung bereitstellen. Eine weitere wichtige Angabe ist die maximale Ausgangsleistung bei geringerer Eingangsspannung; alle AC-Module liefern unter 230V AC Netzspannung mehr Ausgangsleistung als mit 115V AC, weil sich die Eingangsstrombelastung bei doppelter Eingangsspannung halbiert. Die Modelle RACM230-G und RACM550-G sind Netzteile für Universal-Eingangsspannung. Mit Fremdkühlung ist die Nennleistung unabhängig von der Eingangsspannung, solange diese nicht unter 110V AC fällt. Für den RACM230-G besteht bei Kühlung über die Baseplate kein Unterschied der Nennleistung von 160W über den Bereich von 230V AC bis 115V AC Eingangsspannung.
EMV und medizinische Spezifikationen lassen sich mit Leitungskühlung erfüllen
Die für eine wirksame Leitungskühlung verwendeten Designtechniken für einen geringen thermischen Widerstand zur Grundplatte können zu Problemen mit leitungsgebundenen elektrischen Störungen des Wandlers führen. EMV-Standards wie EN55032:2015 spezifizieren zulässige Level der sogenannten „Gleichtakt“-Störungen, die mit der physikalischen Nähe der Schaltelemente zur Grundplatte zunehmen. Wenn Produkte mit Leitungskühlung primär für die Fremdkühlung konstruiert werden, können komplexe und teure Abschirmungen und zusätzliche Filterung nötig sein, um regulatorische Compliance zu ermöglichen. Umfangreiche Filtermaßnahmen verursachen andererseits zusätzliche AC-Ableitströme, welche den Einsatz der Stromversorgung in vielen sensiblen Anwendungen wie etwa medizinischen Geräten verhindern. Die RECOM-Baureihe RACM550-G verwendet einen inhärent störarmen „LLC“-Resonanzkreis, der die Notwendigkeit umfangreicher Eingangsfilter vermeidet, so dass das Produkt die strengeren Grenzwerte von EN55032:2015 Class B einhält und einen Ableitstrom von nur 0,25mA aufweist. Damit ist sie für den Einsatz in medizinischen Geräten für Körperanwendung (B) und Potentialfreier Körperanwendung (BF) geeignet.
Um den Einsatz der Baureihen RACM230-G und RACM550-G in medizinischen Anwendungen zu erleichtern, wurden diese nach den medizinischen Standards ANSI/AAMI 60601-1 und EN60601-1 (Sicherheit) sowie EN60601-1-2 (EMV) zertifiziert. Die Zertifizierung auf das strikte Maß 250V AC/2MOPP (Maßnahmen des Patientenschutzes) macht das Produkt für zahlreiche Anwendungen im Krankenhaus geeignet sowie für andere Gesundheitsanwendungen wie in der Zahnmedizin. Weitere Zertifizierungen umfassen Haushalts-, Industrie- und ITE-Anwendungen und machen diese Produkte zu Allrounder, die für viele verschiedene Umgebungen und Applikationen geeignet sind.
Eine Reihe von Zertifizierungen und Merkmalen
Die Baureihen RACM230-G und RACM550-G verfügen über allgemeine weltweite Sicherheitszertifizierungen einschließlich der neuesten Anforderungen gemäß IEC/EN/UL62368 und sind konform mit der ErP Ecodesign-Richtlinie Lot 6 der Europäischen Kommission sowie der US DoE Level VI-Spezifikation für Standby-Verluste. Verluste bei geringer Last werden minimiert und der Wirkungsgrad bei 230V AC Eingangsspannung bleibt bis hinab zu 20% Last größer als 90%.
Weitere Merkmale der Baureihen umfassen:
- Großer Eingangsspannungsbereich 80–264V AC
- Betriebstemperaturbereich -40°C bis +70°C (+80°C für RACM230-G)
- Zugelassen bis zu 5000m Höhenlage
- Intelligenter Lüfterausgang für lastabhängige Anwendungen mit Lüfterunterstützung
- Standby-Ausgang 5V/1A, der „immer an“ ist (RACM550-G)
- Kompakte Abmessungen 4” x 2” x 1.5” (RACM230) oder 3” x 5” x 1.5” (RACM550)
- Ein/Aus-Schalter inklusive (RACM550-G)
- Fernabtastung inklusive (RACM550-G)
Die Schutzmaßnahmen beider Baureihen sind umfangreich, einschließlich des Schutzes vor Kurzschluss, Überspannung, Überstrom und Übertemperatur und automatischer Wiederherstellung nach einer Störung. Die Produkte sind als „open frame“ oder mit optionalem Metallgehäuse erhältlich.
Das österreichische Unternehmen RECOM hat mit der hohen Leistungsdichte und flexiblen Kühlanordnung der neuen Baureihen RACM230-G und RACM550-G erneut den Standard für Leistung zum erschwinglichen Preis gesetzt. Weitere Produkte mit der innovativen Grundplatten-Kühltechnik sind geplant.
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