Wärmemanagement in der Leistungselektronik Drei Wege zu einer höheren Leistungsdichte

Von Kristin Rinortner

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Bauelemente erzeugen Verlustleistung. Deswegen lässt sich die Leistungsdichte moderner Schaltungen nicht unbegrenzt steigern. In diesem Power-Tipp stellen wir drei Möglichkeiten vor, wie Sie den Wärmeeintrag in Ihr System senken können.

Wärmetechnische Lösung auf Systemebene: Die 3-kW-Vollbrücke mit Phasenverschiebung und aktiver Klemme als Referenzdesign kommt auf einen Wirkungsgrad von 97,74 Prozent.
Wärmetechnische Lösung auf Systemebene: Die 3-kW-Vollbrücke mit Phasenverschiebung und aktiver Klemme als Referenzdesign kommt auf einen Wirkungsgrad von 97,74 Prozent.
(Bild: TI)

Die Zahl der Halbleiterbausteine in modernen Anwendungen steigt weiterhin rasant an. Hyperscale-Rechenzentren und Elektrofahrzeuge sowie Security-Anwendungen für den kommerziellen und privaten Bereich sind nur einige Beispiele für diesen Trend. Trotz der immer mehr werdenden Bauelemente müssen die Abmessungen im Rahmen bleiben.

Anders ausgedrückt, es wird die maximale Leistungsdichte angestrebt. Da die integrierten Schaltungen Wärme erzeugen, lässt sich die Leistungsdichte allerdings nicht unbegrenzt steigern.

Nachfolgend stellen wir drei Bereiche vor, in denen die thermischen Eigenschaften verbessert werden können, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen.

Möglichkeit 1: Verbesserte Fertigungstechnologien

Viele weltweit agierende Halbleiterhersteller arbeiten mit Hochdruck an der Umstellung ihrer Power-Management-ICs auf neue Technologieknoten, um in Industriestandard-Gehäusen mehr Leistungsfähigkeit zu bieten. Texas Instruments zum Beispiel investiert in 45- und 65-nm-Prozesstechnologien sowie in die die Fertigung mit 300-mm-Wafern.

Hinzu kommen technologische Fortschritte wie die Senkung des spezifischen Einschaltwiderstands (RSP) oder des Drain-Source-Widerstands (RDS(on)) der integrierten MOSFETs, um bei verbesserten thermischen Eigenschaften kleinere Die-Abmessungen zu erzielen.

Bild 1: 
Einen Dauerstrom von bis zu 6 A liefert der synchrone Abwärtswandler TPS566242.
Bild 1: 
Einen Dauerstrom von bis zu 6 A liefert der synchrone Abwärtswandler TPS566242.
(Bild: TI)

In Silizium gegossen wurden die genannten Faktoren beispielsweise am Abwärtswandler TPS566242 (Bild 1). Neben einer optimierten Anschlussbelegung sorgt ein zusätzlicher Masseanschluss dafür, dass mit einem 1,6 mm x 1,6 mm messenden SOT-563-Gehäuse ein Ausgangsstrom von 6 A erzielt wird. Das mutete noch vor fünf Jahren als ziemlich utopisch an.

Möglichkeit 2: Kreativer Schaltungsentwurf

Auch ein kreativer Schaltungsentwurf kann die Leistungsdichte entscheidend verbessern. Traditionell wurden beispielsweise diskrete Hot-Swap-Controller zum Schutz professioneller Hochstrom-Applikationen verwendet.

Die Zuverlässigkeit dieser Controller steht außer Frage, aber infolge des wachsenden Strombedarfs können diskret aufgebaute Stromversorgungsschaltungen schnell übermäßig groß werden, zumal Rechenzentren nicht selten Ströme von 300 A und mehr benötigen.

Power of Electronics

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(Bild: VCG)

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Der eFuse-Baustein TPS25985 ist eine Kombination aus einem FET mit einem RDS(on) von 0,59 mΩ und einem Strommessverstärker. In Verbindung mit einem neuartigen aktiven Current-Sharing-Konzept bietet dieser Verstärker eine einfache Möglichkeit die Temperatur zu überwachen.

Durch die Kombination von effizient arbeitenden Schaltern mit neu gedachten Integrationskonzepten unterstützt der Chip Stromstärken bis 80 A. Wird mehr benötigt, lassen sich mehrere eFuses parallel schalten.

Möglichkeit 3: Optimierte Chip-Gehäuse und Chip-Kühlung

Bild 2: 
Das Power-Modul TLVM13660 besitzt an der Unterseite vier Thermal Pads, während die Signal- und Stromversorgungs-Pins leicht zugänglich außen angeordnet sind.
Bild 2: 
Das Power-Modul TLVM13660 besitzt an der Unterseite vier Thermal Pads, während die Signal- und Stromversorgungs-Pins leicht zugänglich außen angeordnet sind.
(Bild: TI)

Auch die Bedeutung thermisch optimierter Chip-Gehäuse sollten Sie nicht unterschätzen. TI hat unlängst seine QFN-Gehäuse vom Typ HotRod unter anderem mit größer dimensionierten Die-Attach Pads (DAPs) versehen, um die Wärmeableitung zu verbessern. Deutlich wird dies an dem für 6 A und 36 V ausgelegten Step-Down Power-Modul TLVM13660 in Bild 2.

GaN-Bausteine mit einer Kühlung über die Oberseite sind ebenfalls eine hochgradig effektive Möglichkeit zum Ableiten der Wärme aus dem Chip, ohne die thermischen Pfade über die Leiterplatte zu führen. Mit dieser Methode wird beispielsweise der LMG3522R030-Q1 gekühlt, ein GaN-FET mit integrierten Treiber- und Schutzfunktionen. Ein mit diesem Bauelement bestücktes Referenzdesign (Aufmacherbild) kommt laut Hersteller auf einen Wirkungsgrad von 97,74 %.

Abhängig von der Lagenanzahl der Leiterplatte, dem Montageprozess und etwaigen Kostenrestriktionen ist es manchmal vorteilhaft, flexibel unter verschiedenen Entwärmungsoptionen wählen zu können. In bestimmten Szenarien kann deshalb auch der GaN-FET LMG3422R030 die bessere Wahl sein, bei dem die Wärme über die Unterseite abgeführt wird.

Fazit: Sie müssen also an mehreren Stellschrauben drehen, wenn Sie die Leistungsdichte anheben wollen, ohne dass sich thermische Effekte negativ auf die Leistungsfähigkeit Ihrer Schaltung auswirken. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments

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