Die neuen Anforderungen an Schaltnetzteile

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Deutlichen Reduktion des Durchlasswiderstandes

Die bisherigen Ausführungen machen deutlich, welche wichtige Rolle Halbleiterfirmen wie Infineon für die Fortschritte bei Schaltnetzteilen spielen: Leistungsbauelemente, Treiber-ICs, analoge und digitale Controller (alles im Portfolio von Infineon) sind fundamentale Bestandteile eines Stromversorgungs-Systems.

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Bild 4 zeigt die typische interne Struktur eines AC/DC-Schaltnetzteiles für Server und einige Bauelemente-Familien von Infineon, die in den verschiedenen Stufen eingesetzt werden. Die bemerkenswerte Verbesserung der Schaltnetzteil-Performance in den letzten zehn Jahren basiert ganz wesentlich auf einer deutlichen Reduktion des Durchlasswiderstandes in Hochvolt-MOSFETs auf Basis des Superjunction-Prinzips, das Infineon Ende der 90er Jahre in den CoolMOS-Serien eingeführt hat. Ähnlich wichtig waren die Verbesserungen beim Reverse-Recovery-Verhalten der Hochvolt-Siliziumkarbid-Dioden.

Magnetische Komponenten und Kondensatoren

In Anwendungen mit geringer Ausgangsspannung wurden Verbesserungen des Wirkungsgrades durch die kontinuierliche Reduzierung des Durchlasswiderstandes bei Niedervolt-MOSFETs möglich, etwa bei den OptiMOS-Serien, die in Synchrongleichrichtung eingesetzt werden. Die Einführung innovativer Bauelemente auf Basis von GaN (Gallium-Nitrid) verspricht weitere deutliche Verbesserungen in diesem Bereich.

Ein wichtiger Beitrag bei der Weiterentwicklung der SMPS-Technologie kommt von den Gehäusetechnologien, mit dem Ziel, die parasitären Effekte zu minimieren und das thermische Verhalten zu verbessern. Der Bedarf nach immer höheren Leistungsdichten hat die Komponenten-Integration vorangetrieben: monolithische Integration und/oder Chip-Co-Packaging von Halbleiter-Komponenten wie Schaltern, Treibern oder Steuerschaltungen ermöglichen eine weitere Reduzierung der Systemgrößen. Aus demselben Grund wird die Verwendung von magnetischen Bauelementen mit integrierten Leiterplatten-Wicklungen eine höhere funktionelle Integration erlauben.

Leider ging der unbestritten schnelle Fortschritt bei den Halbleitern nicht mit derselben Innovationsgeschwindigkeit bei den magnetischen Komponenten und Kondensatoren einher. Hersteller von magnetischen Bauelementen fokussierten sich auf die weitere Optimierung bestehender Materialien für spezielle Frequenzbereiche und erweiterten das Portfolio mit neuen Bauformen und Größen für die Magnetkerne. Allerdings wären innovative Lösungen gefragt, um die Kupfer-Verluste durch Skin- und Nahwirkungseffekte zu verringern, die in hochfrequenten Applikationen oft limitierend sind. Letztendlich wurden auch einige Fortschritte bei Niederspannungskondensatoren gemacht. Allerdings wurden keine signifikanten Verbesserungen bei Hochvolt-Elektrolytkondensatoren erzielt, die für die Energiespeicherung genutzt werden. Trotz Einführung einiger miniaturisierter Serien ist die typische Kapazität/Volumen-Rate noch immer sehr gering.

Zusammenfassend erfordert die wachsende Internet-Infrastruktur mit steigenden Energiekosten und Umweltauswirkungen in Server-Farmen und Rechenzentren eine weitere Verbesserung der Schaltnetzteil-Effizienz über den gesamten Lastbereich. Signifikante Verbesserungen der SMPS-Technologie werden u.a. durch Optimierung der Systemarchitektur, des Power Managements und durch fortschrittliche Regelungsalgorithmen erwartet.

* * Francesco Di Domenico ist Senior Staff Engineer Application and Systems, Infineon Technologies AG, Villach.

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