Schlüsselfaktoren für die Leistungsdichte von Powermodulen

Leistung vs. volumetrische Dichte

Stromversorgungslösungen sind dafür berüchtigt, dass sie das Zünglein an der Waage sind - sie bestimmen die Größe des Gesamtsystems, den volumetrischen Wirkungsgrad, die Materialkosten des Systems und die Leistungsdichte. Im Allgemeinen werden diese Faktoren in die üblichen Leistungskennzahlen (FOM) für ein System unterteilt, wie z.B. Größe, Gewicht und Leistung (auch bekannt als SWaP-Faktoren). In Kombination mit einer Kostenkennzahl kann dies auch als SWaP-C-Faktor bezeichnet werden [1]. Die Leistungsdichte ist in der Regel eine Funktion der verfügbaren Gesamtleistung im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Lösung, weshalb die Größe der Komponenten in der Regel eine umgekehrte Beziehung zur Leistungsdichte aufweist. Die Metrik der Leistungsdichte geht noch einen Schritt weiter, wenn sie mit der Gesamtmasse der Lösung (in der Regel als Gewicht auf der Erde) kombiniert wird, die bei nicht-gebundenen Anwendungen ein kritischer Faktor sein kann.

Es ist auch empfehlenswert, die Leistungsdichte von der volumetrischen Dichte zu unterscheiden. Die Leistungsdichte kann speziell im Zusammenhang mit der Energielösung charakterisiert werden, die eine Teilmenge des gesamten Systemvolumens ist. Im Allgemeinen nimmt die Leistungsdichte IMMER zu, während die volumetrische Dichte abnehmen kann, da die großen Systemlasten in ihrer Größe (und vielleicht auch in ihrem Energiebedarf) schrumpfen und/oder ihre Funktionalität erhöhen, um von Generation zu Generation mehr Arbeit im gleichen Volumen zu verrichten, was zu einem anderen Trend als bei den Energielösungen führt. Die Industrie hat versucht, diese Diskrepanzen mit vereinfachten, schrecklichen Maßstäben wie Dollar pro Watt ($/W) zu normalisieren, was wenig bis gar keinen Sinn macht, es sei denn, es werden sehr ähnliche Stromversorgungen verglichen.

Wie bei jedem Aspekt der Bewertung von Energielösungen und der Beurteilung ihrer technischen Auswirkungen und finanziellen Beiträge ist es entscheidend, über die Analyse erster Ordnung hinauszugehen. Stromverbrauch und Energieeffizienz sind oft ein Spiel, bei dem die Optimierung in einem Teilsystem zu einer geringeren Leistung in einem anderen Bereich führen kann; daher sind die effektiven Auswirkungen auf Systemebene bei diesem Ansatz gleich oder sogar schlechter. Einige klassische Beispiele sind, wenn die erhöhte Leistungsdichte eines Leistungsschalters mit breiter Bandlücke, wie z.B. Galliumnitrid oder Siliziumkarbid, einen physisch kleineren Stromversorgungsstrang ermöglicht (selbst bei erhöhter Leistung), indem die erhöhten Schaltfrequenzen ausgenutzt werden, die die Reduzierung einiger Leistungskomponenten ermöglichen. Dies kann jedoch auch dazu führen, dass eine größere (und möglicherweise kostspieligere) Lösung zur Wärmeregulierung erforderlich ist, um die dichtere Verlustleistung in kleineren Geometrien zu bewältigen, oder dass ein System sogar eine Flüssigkeitskühlung benötigt. Oft sind es die „kleinen“ Merkmale, die „nice-to-have“ sind, aber einen unverhältnismäßigen Einfluss auf die Größe und/oder die Kosten der Lösung haben können. So können beispielsweise Steckverbinder (insbesondere Blindkupplungen) und Lüfter in einer SWaP-C-Analyse einen erheblichen Beitrag zu allen FOMs leisten, da sie sehr groß sein können und elektromechanische Komponenten auch die Engpässe für die Maximierung von Systemqualität und Zuverlässigkeit darstellen.

Stromversorgungslösungen skalieren nicht mit denselben Raten, wie wir sie bei Elementen auf der Lastseite sehen, wie z.B. denjenigen, die durch das Mooresche Gesetz und mikroelektromechanische Systemgeräte angetrieben werden. Das bedeutet, dass die System-Roadmaps keine exponentielle Verkleinerung der Stromversorgungslösung (oder umgekehrt eine exponentielle Erhöhung der Leistungsdichte) vorsehen können, weil sich die Prozessknoten fast jedes Jahr verbessern. Dennoch kann eine Stromversorgungslösung dazu beitragen, das Tempo der verbesserten Lastgröße/Leistung beizubehalten, indem sie die steigenden Anforderungen der Lasten auf ihre eigene Weise erfüllt [2].

Funktionsumfang spielt eine große Rolle bei der Leistungsdichte

Sehen Sie sich das Bild dieser Stromversorgung (oben) an, wenn die Gehäuseabdeckung entfernt wurde. Sieht es so aus, als ob der größte Teil des Volumens in diesem Gehäuse von den eigentlichen Modulkomponenten eingenommen wird, oder sieht es so aus, als ob die Anschlüsse, die Verkabelung, die Lüfter und sogar die Kühlkörper und Gehäuse den größten Teil des Volumens einnehmen (zusammen mit dem leeren Raum)? Manchmal ist es überraschend zu erfahren, wie wenig Einfluss die eigentliche Stromversorgung auf das Gesamtvolumen der Stromversorgungslösung und damit auf die maximal erreichbare Leistungsdichte hat. Das ist auch der Grund, warum eine Kennzahl wie $/W für die Bewertung von Stromversorgungssystemen ungeeignet ist, die nicht so konzipiert sind, dass sie Äpfel mit Äpfeln vergleichen (z.B. nahezu identische Funktionen, wobei der einzige wesentliche Unterschied in der Nennleistung der Stromversorgungskomponenten besteht).

Anforderungen, die sich aus der Sicherheitszertifizierung und der Unterstützung von Anforderungen wie Hochspannungseingängen (z. B. erhöhte 2D- und 3D-Abstandsanforderungen) und raueren Betriebsumgebungen ergeben, können die Lösungsdichte stark beeinflussen. Wenn strengere Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) und/oder Schock- und Vibrationsfestigkeit erfüllt werden müssen, wie z.B. bei Anwendungen, die eine Zertifizierung von Netzwerkausrüstungen erfordern, werden Masse und Volumen durch größere Filterkomponenten zusammen mit einer verbesserten mechanischen Unterstützung für die Befestigung von Komponenten mit größerer Masse beansprucht. Dies kann Kleb-/Dichtstoffe (flüssiger Silikonkautschuk, der sich bei Raumtemperatur verfestigt; daher ist für diesen Zweck eine „Raumtemperatur-Vulkanisiermasse“ (RTV) gebräuchlich), Umreifungen und sogar einen vollständigen Verguss (d.h. das vollständige Eintauchen der Lösung in ein Epoxid-/Polymermaterial, um die Wärmeübertragung zu erleichtern und sowohl elektrisch als auch gegenüber der äußeren Umgebung zu isolieren) erfordern. All diese größeren Komponenten und die Nachrüstung von Trägermaterialien für die Sicherheit/Zertifizierung und/oder die thermische/umwelttechnische Unterstützung tragen zum Gesamtgewicht der Lösung und damit zu den Dichtekennzahlen bei.

Angesichts der umfassenden Qualitäts- und beschleunigten Lebensdauertests, denen Stromversorgungslösungen zusätzlich zu den funktionalen elektrischen Qualifikationstests auf dem Prüfstand unterzogen werden, sollten diese Testaufbauten und die Anforderungen an das Bestehen der Tests bereits in der Designphase berücksichtigt und die Auswirkungen auf den Testplan berücksichtigt werden. Wenn ein langfristiger, teurer (in Bezug auf die Kosten und den Zeitplan) Qualifizierungstest durchgeführt wird, ist es ein Ziel, die Tests beim ersten Mal zu bestehen. Dies kann jedoch durch häufigere Ausfälle bei größeren und/oder komplexeren Konstruktionen sowie durch die Möglichkeit des Zugriffs auf Baugruppen und Komponenten im Falle eines Ausfalls erschwert werden, um eine sorgfältige Fehleranalyse durchzuführen, die die entsprechenden Korrekturmaßnahmen einleitet.

Möglichkeiten zur SWaP-Verbesserung durch dichte Energielösungen

Die größten Faktoren, die zu den SWaP-Kennzahlen beitragen, sind auch die größten Möglichkeiten zur Verbesserung der zugehörigen FOMs. Das sind vor allem die Filterkomponenten, die elektromechanischen Komponenten und alles, was zur Unterstützung der Masse dieser größeren und/oder lockereren Komponenten erforderlich ist. Die Identifizierung dieser Faktoren und die Isolierung der Komponenten und ihrer individuellen Beiträge zum Systemdesign ermöglicht es den Designern, ihre Gesamtoptimierung auf eine Reihe von Teilaufgaben und spezielle Tests zur Validierung zu konzentrieren.

Die Komponenten, die für Filter berechnet und ausgewählt werden, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen, stehen häufig ganz oben auf der Liste der zu beachtenden Punkte. Große Kondensatoren und noch größere/dichtere Magnete sind in der Regel die schlimmsten Übeltäter, aber überraschenderweise wird ihnen bei der Optimierung weniger Aufmerksamkeit geschenkt, weil viele Designer mit dem Filterdesign nicht vertraut sind. Obwohl das Filterdesign sehr subjektiv und bei komplizierteren Lösungen sogar eine Kunst sein kann, ist es sehr empfehlenswert, dass jeder Designer, der auch nur im Entferntesten mit Leistungsdesign/Qualifizierung zu tun hat, sich mit einigen grundlegenden Kenntnissen über Filterdesign und -optimierung vertraut macht [3] [4] [5]. Die wichtigsten Kompromisse bestehen zwischen den FOMs der Filterkomponenten (eine bessere Leistung wird in der Regel mit größeren/schwereren Komponenten erzielt) und den akzeptablen Konformitätsniveaus (in der Regel in Bezug auf die Emissionswerte). HINWEIS: Die beste Strategie für den Umgang mit unerwünschter Energie bei einer bestimmten Frequenz ist die Abschwächung. Mit anderen Worten: Versuchen Sie, das Design so zu optimieren, dass Rauschquellen eliminiert oder reduziert werden, bevor Sie sich wahnsinnig auf die Filterung konzentrieren, um diese unerwünschten Ausschläge zu bewältigen und einzufangen. Ein Beispiel hierfür ist, wenn ein Leistungstreiber/Controller Spread-Spectrum-Clocking unterstützt, um die Energie über ein breiteres Frequenzspektrum zu verteilen und so den Bedarf an schwerer Filterung zu reduzieren [6].

Die Aufteilung von Stromversorgungs-Subsystemen kann ebenfalls eine großartige Methode zur Verbesserung der Dichte sein. Die Trennung von Stromversorgungslösungen mag in Diskussionen, die von der Integration zur Verbesserung der Dichtekennzahlen bestimmt werden, ein wenig kontraintuitiv erscheinen, aber es gibt Zeiten, in denen der Versuch, zu viele Funktionen in eine einzige Lösung zu packen, einen Punkt des abnehmenden Ertrags erreicht. Insbesondere in Anbetracht der vielen Knöpfe und Variablen beim Design von Stromversorgungen kann es manchmal sinnvoller sein, einen „Teile und Herrsche“-Ansatz zu verfolgen. Ein Beispiel dafür ist eine Systemstromschiene, die auf der Eingangsseite einen großen Bereich und auf der Ausgangsseite eine Isolierung und/oder eine strenge Regulierung erfordert. Hierfür können getrennte Lösungen optimal sein, wobei eine für ein großes Eingangsverhältnis und eine andere für die Regulierung/Isolierung optimiert ist. Ein weiteres gängiges Beispiel ist die Umwandlung eines großen einphasigen Konverters in kleinere mehrphasige Konverter, die jeweils weniger Leistung verarbeiten. Dies ermöglicht kleinere Komponenten, geringere elektrische/thermische Belastungen und sogar die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen zu erhöhen, um die FOM der Komponenten weiter zu verbessern.

Ob es um die Optimierung von Filterwerten, einzelnen Komponenten oder die effektivsten disaggregierten Lösungen geht, es gibt sicherlich alle Arten von Lösungen, die einem Entwickler dabei helfen, diese Ziele zu erreichen und gleichzeitig die Vorteile des Stands der Technik (SOTA) zu nutzen, insbesondere bei kommerziellen Standardlösungen (COTS). Große Fortschritte im Bereich des dreidimensionalen Power Packaging (3DPPR), insbesondere für DC/DC-Leistungswandler mit niedrigeren Spannungen, sind ein wichtiger Punkt. Fortschrittliche Packaging-Techniken haben es ermöglicht, viele der oben genannten SOTA-Technologien für die Stromumwandlung und das Strommanagement zu nutzen und sie in hochdichte integrierte Komponenten zu integrieren. Insbesondere Filterkomponenten werden in Form von planaren Magneten, Gehäuse über Gussformen und Multichip-Modulen auf heterogene Weise in Leistungsmodule integriert. Mit 3DPPR können die besten dieser Technologien zur SWaP-Optimierung beitragen und gleichzeitig den Zugang zu COTS-Lösungen nutzen.

Fazit

Es gibt kein Mooresches Gesetz für Stromversorgungslösungen, vor allem wenn man die Energiespeicher betrachtet, die die SWaP-C-Kennzahlen dominieren, die wiederum fast alle Regler zur Bestimmung der Leistungsdichte und der Gesamtsystemdichte beeinflussen. Die Verpackung ist ein wichtiger Faktor, der es Energielösungen (insbesondere Modulen und anderen Fertigprodukten) ermöglicht, mit den Fortschritten bei der Dichte auf der Lastseite Schritt zu halten.

Das Streben nach einer höheren Leistungsdichte nur um einer verbesserten Kennzahl willen (z.B. W/m3) kann ein kostspieliges Unterfangen sein, das mit vielen Kompromissen verbunden ist, von erhöhten Kosten und Entwicklungszeiten bis hin zu geringerer Effizienz und Zuverlässigkeit. Es ist wichtig, die tatsächlichen Auswirkungen der gewünschten Funktionen zu berücksichtigen und zu überlegen, ob die Auswirkungen auf Kosten, Platzbedarf und Effizienz (und natürlich den Projektzeitplan) in der jeweiligen Anwendung wirklich gerechtfertigt sind.

Allerdings wurde auch untersucht, wie die Erhöhung der Packungsdichte durch fortschrittliches Packaging und die Nutzung von 3DPPR-Techniken und Fertigungsautomatisierung die SWaP-C-Kennzahlen verbessern kann, sodass es hier keine Absolutheit gibt. Eine zunehmende Designkomplexität führt in der Regel zu einem Designrisiko in Form einer geringeren Fertigungsausbeute (oder zusätzlicher Nacharbeit, was die Produktion verlangsamt und die Kosten erhöht). Die Automatisierung von ansonsten manuellen Montageprozessen kann jedoch hochintegrierte Lösungen mit strenger kontrollierten Prozessschritten ermöglichen, die die Zuverlässigkeit verbessern und gleichzeitig die Dichte der Leistungsmodule erhöhen können. Die zunehmende Verwendung von planaren Magneten ist ein perfektes Beispiel dafür.

Eine höhere Leistungsdichte führt in der Regel zu mehr Herausforderungen bei jeder Strategie zur Wärmedämmung. Je mehr Wärme auf kleinerem Raum eingeschlossen ist, desto schwieriger ist es, diese Wärme effektiv zu verteilen und an die Umgebung abzugeben. Wenn die Wärme nicht so effektiv abgeführt wird, steigt die Temperatur der Komponenten stärker an, was sich in einer geringeren Zuverlässigkeit niederschlägt. An dieser Stelle ist es wichtig, die ganzheitlichen Auswirkungen des Stromversorgungsdesigns auf das Gesamtsystem zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Streben nach einer höheren Leistungsmoduldichte nicht zulasten anderer SWaP-C-Ziele des Designs geht. Insbesondere im Hinblick auf die Thermik und die Vorhersage der Produktlebensdauer kann sich die Dichte auf Garantieanalysen und Supportkosten auswirken.

Referenzen

[1] „Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, 21. Oktober 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (Zugriff am 15. Februar 2023).
[2] „Power Modules are Catching up with Moore’s Law,” RECOM Blog, 11. November 2022, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-power-modules-are-catching-up-with-moores-law-235.html (Zugriff am 13. März 2023).
[3] „Specifying line inductors for power converter noise filters,” RECOM White Paper, https://recom-power.com/en/support/technical-resources/whitepaper/whitepaper-specifying-line-inductors/whitepaper-specifying-line-inductors.html.
[4] „Very low noise filter for isolated DC/DC converters,” RECOM Blog, 4. März 2019, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-very-low-noise-filter-for-isolated-dc!sdc-converters-46.html (Zugriff am 13. März 2023).
[5] S. Roberts, „DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE – Practical tips for the User,” Fifth Edition, RECOM Engineering, 2021.
[6] Wikipedia contributors, „Spread spectrum,” Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spread_spectrum&oldid=1138317993 (Zugriff am 13. März 2023).