Von einer Übergangstechnologie zu neuen Standards

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik

Verlustwärme schnell abführen

Die wenigen Hochleistungs-LEDs produzieren ein fokussiertes Licht, die vielen Mittelleistungs-LEDs ein diffuses Licht. Wegen der einfacheren Entwärmung, und insbesondere auch des enormen Kostenvorteils geht der Trend aktuell deutlich zu den Mittelleistungs-LEDs. Der Wirkungsgrad von LEDs, also das Verhältnis der Lichtleistung zur benötigten elektrischen Leistung, liegt zwischen 40 bis 50%. Das hat zur Folge, dass lokal sehr große Wärme entsteht.

Es sind daher Träger nötig, welche die Verlustwärme schnell abführen können. Aus diesem Grund sind die Substrate, auf die die LEDs aufgebracht werden entweder aus kupferbeschichteten, stark wärmeleitfähigen Keramiken AlN (Aluminiumnitrid) mit 200 W/mK, Al₂O₃ (Aluminiumoxid) mit 20 bis 30 W/mK oder Metallkernplatinen (IMS). Ein Aufbau aus Hochleistungs-LEDs auf einer AlN-Keramik sowie die Temperaturverteilung über der Platine im Betrieb zeigt das Bild 3.

Der LED-Treiber wandelt eine Wechselspannung von 230 V in eine Gleichspannung von typischerweise 20 bis 60 V. Das Treibermodul besteht aber nicht nur aus dem Spannungswandler. Es verfügt über einen Regler, der den Ausgangsstrom durch die Last, unabhängig von Schwankungen der Eingangsgrößen, konstant hält, sowie aktive und passive Baugruppen, die dafür sorgen, dass die Netznormen EN61000-3-2 C und D, die sich mit Grenzwerten zu Störaussendung (Elektromagnetischen Verträglichkeit – EMV) von Leuchten befassen, eingehalten werden.

Um Oberschwingungen zu reduzieren werden PFC-Stufen (Leistungsfaktorkorrektur), sowie passive Filter aus induktiven und kapazitiven Bauelementen eingesetzt. Die aufwendigen EMV-Filter machen bis zu 50% des gesamten Treibervolumens aus. Es gibt unterschiedliche Wandler-Topologien für Treibermodule. Hauptsächlich werden isolierte Spannungswandler eingesetzt, so dass im Fehlerfall am elektrisch leitfähigen Kühlkörper aus Metall keine Netzspannung anliegt. Unter 20 W sind Sperrwandler am weitesten verbreitet, die mit Schaltfrequenzen von 100 bis 300 kHz betrieben werden.

Sie erzielen aufgrund der hohen Verluste am Transformator allerdings nur Wirkungsgrade von 70 bis 90%, durch die Möglichkeit die Wicklungen des HF-Transformators anzupassen haben die Sperrwandler einen hohen Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich. Effizienzmessungen der Treibermodule einiger kommerziell erhältlicher LED-Leuchten, sowie des IAF-Demonstrators, sind in Bild 2 dargestellt.

Neue Materialien für einen effizienteren Wandler

In der Materialtechnik für leistungselektronische Bauelemente haben sich in den letzten Jahren viele Neuerungen gezeigt. Materialien mit hoher Bandlücke, wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid, erlauben den Betrieb in thermisch anspruchsvollen Umgebungen. Aufgrund der hohen Spannungsfestigkeit dieser Materialien können die Schalter so ausgelegt werden, dass sie sowohl sehr geringe Leitwiderstände, als auch sehr geringe Gate-Ladungen haben, wodurch die Effizienz steigt und der Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen möglich wird.

Diese zwei Parameter, im Verhältnis zu der Durchbruchspannung im Sperrbetrieb, sind ein Bewertungskriterium für die Güte von Transistoren in Bezug auf Schaltgeschwindigkeit und Effizienz. Höhere Frequenzen werden insbesondere deshalb angestrebt, da mit ihnen die Miniaturisierung der Schaltwandler möglich wird: denn die Größe der Zwischenspeicher und Ausgangspuffer sinkt bei steigender Frequenz. Das Schaltungsdesign hingegen wird dadurch anspruchsvoller, weil parasitäre Effekte der Bauelemente und Leitungen die Schalthandlungen beeinflussen.

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