DC/DC-Wandler und Last müssen als ein thermisches System betrachtet werden.
Die Kühlung von DC/DC-Wandler und Last kann auf verschiedene Weise erfolgen, von einfacher Luftkonvektion über Kühlwände bis hin zur Kühlung durch Eintauchen in Kühlflüssigkeit. Typischerweise wird jedoch in kostensensiblen kommerziellen und industriellen Anwendungen Zwangsluftkühlung eingesetzt. Da am DC/DC-Wandler oft kein Platz für einen Kühlkörper vorhanden ist, ist die Oberfläche, von der die Wärme durch den Luftstrom abgeführt wird, begrenzt. Daher wird üblicherweise die Wärme über die Wandleranschlüsse an die Leiterplatte abgegeben, die ohnehin über breite Kupferleiterbahnen verfügt, um die typischerweise hohen Ströme zu bewältigen. Der Luftstrom transportiert die Wärme vom DC/DC-Wandler und der Oberfläche der Leiterplatte ab, die ihrerseits auch durch andere Bauteile erwärmt werden kann.
Die Sache wäre vergleichsweise einfach, wenn die Wärmeabgabe in der Last und den Leistungswandlern konstant wäre, aber moderne Datenverarbeitungssysteme drosseln und beschleunigen Aufgaben, um die Verarbeitungskapazität effizient zu nutzen und den durchschnittlichen Stromverbrauch zu minimieren.
Um dies zu erreichen, werden die Spannungsschienen dynamisch skaliert. DC/DC-Wandler sind daher nicht nur starken Lastschwankungen, sondern auch anderen Betriebsparametern wie Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie der Lufttemperatur ausgesetzt. Diese Schwankungen beeinflussen wiederum den Wirkungsgrad des Wandlers und verändern die abzuführende Wärmemenge. In hochpräzisen Systemen ist nicht zu erwarten, dass Spitzenlasten über längere Zeiträume thermisch bewältigt werden können, ohne die maximalen internen Bauteiltemperaturen zu überschreiten. Daher werden sowohl die Last als auch der DC/DC-Wandler typischerweise mit einer Dauer- und einer Spitzenlast charakterisiert, die sorgfältig überwacht werden muss, um kritische Temperaturen nicht zu überschreiten. (Flex Leistungsmodule)‘ BMR491 Serie (Abbildung 1) ist ein Beispiel für ein Produkt, das als thermische Grenze auf 1540 W ausgelegt ist, aber je nach Ausgangstemperatur für eine begrenzte Zeit eine Spitzenleistung von 2450 W erreicht.
Abbildung 1: Ein DC/DC-Wandler mit hoher Spitzen- und Dauerleistungsbemessung – BMR491
Simulation ist der Weg nach vorn
Angesichts der vielen interagierenden Variablen sind traditionelle analytische Methoden zur Vorhersage kritischer Temperaturen in Bauteilen verständlicherweise nicht praktikabel, und Simulationen sind der richtige Weg.
Abbildung 2: Beispielhafter Screenshot des Flex Power Designer Tools, der in diesem Fall die Hotspot-Temperatur des DC/DC-Moduls in Abhängigkeit vom Luftdurchsatz zeigt.
Für genaue Ergebnisse müssen die elektrischen und thermischen Eigenschaften des DC/DC-Wandlers bekannt sein; diese werden durch den Flex Power Designer Tool für die DC/DC-Wandler des Unternehmens. Die Software ermöglicht die Konfiguration eines Systems über Dropdown-Menüs und berechnet anhand der vom Benutzer festgelegten Bedingungen die Effizienz einzelner Geräte und des Systems, die Verlustleistung und die Hotspot-Temperatur.
Insbesondere kann die Luftstromrate zusammen mit der Lufttemperatur, der Leiterplattendicke, der Kupferabdeckung und der maximal zulässigen Temperatur definiert werden, wobei letztere oft ein begrenzender Faktor ist. Siehe Beispiel-Screenshot. Abbildung 2. Das Tool berücksichtigt anhand etablierter Testdaten, wie sich die Geräteeffizienz bei unterschiedlichen Temperaturen verändert, und aktualisiert die Ergebnisse ‘on-the-fly’.
Sichtbare Fähigkeiten in 3D
Während das Simulationstool unter festgelegten Bedingungen tatsächliche Ergebnisse anzeigt, enthalten die Datenblätter auch traditionelle Leistungsreduzierungsdiagramme, zum Beispiel mit Lufttemperatur und Durchflussrate.
Hierfür müssen Annahmen über die Größe und Eigenschaften eines eventuell vorhandenen Kühlkörpers und der Leiterplatte sowie über die Luftstromrichtung getroffen werden. Für eine genauere Darstellung geht Flex Power Modules noch einen Schritt weiter und bietet ‘3D’-Darstellungen der Leistungsreduzierung bei festgelegten Temperaturen der Grundplatte und der Pins (Abbildung 3Aus den Qualifizierungsdaten hat Flex Power Modules seine Bauteile auch hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen diesen interagierenden Hotspots und den maximal zulässigen Sperrschichttemperaturen genau charakterisiert, sodass die Anwender sicher sein können, dass bei Einhaltung dieser Werte bei der gegebenen Leistung eine maximale Ausnutzung des Bauteils ohne übermäßige Belastung erreicht wird.
Abbildung 3: Ein typisches 3D-Derating-Diagramm für ein Gerät der BMR491-Serie
Integration der DC/DC-Wärmesimulation mit anderen Komponenten
Obwohl DC/DC-Wandler eine Hauptwärmequelle auf einer Leiterplatte darstellen können, tragen auch andere Komponenten dazu bei, insbesondere solche, die als Lasten am Wandler wirken. Ihr Zusammenspiel lässt sich mit Programmen wie FloTherm simulieren. Flex Power Modules bietet CAD-Modelle seiner DC/DC-Wandler im STEP-Format an, die über die FloEDA-Brücke in FloTherm importiert werden können, um eine vollständige thermische Systemsimulation durchzuführen. Die Modelle sind detailliert und berücksichtigen die wärmeerzeugenden Elemente sowie die Eigenschaften jeder DC/DC-Leiterplattenlage, einschließlich Dielektrikum und Durchkontaktierungen. Flex Power Modules gibt die Verlustleistung jeder Wärmequelle unter verschiedenen Betriebsbedingungen an und definiert die Temperaturmesspunkte. Zur Überprüfung wird das FloTherm-Modell des DC/DC-Wandlers anhand von Windkanaltests kalibriert, sodass die simulierten Temperaturanstiege typischerweise innerhalb von 2 °C der Messwerte liegen.
Spitzenlasteffekte
Viele der DC/DC-Wandler der Flex-Leistungsmodule verfügen über eine Spitzenlastfähigkeit, beispielsweise ihre BMR313 Die Bauelemente sind für eine Dauerleistung von 1 kW und eine Spitzenleistung von 3 kW ausgelegt. Bei kurzzeitiger transienter Last darf die Sperrschichttemperatur des Bauelements ihren maximalen Nennwert von typischerweise 150 °C oder 175 °C erreichen. Die zulässige Dauer wird durch die lokale Wärmekapazität der Leistungshalbleiter bestimmt.
Abbildung 4: BMR313-Schutzschema für Dauer-, Spitzen- und transienten Spitzenschutz
Die zur Vermeidung von Geräteüberlastung verfügbaren Werkzeuge basieren auf lokalen Temperatursensoren und Strommessungen, abhängig vom Spitzenlastwert. Beim BMR313 beispielsweise führt eine Überlastung von 3,4 kW oder mehr innerhalb weniger Mikrosekunden zu einer schnellen Hardwareabschaltung mit der Ausgabe eines ‘HW_FAULT’-Signals.
Ab 2,6 kW erfolgt eine langsamere, hardwaregesteuerte Abschaltung innerhalb von ein bis zwei Millisekunden mit einem ‘OC-FAULT’-Signal. Bis 1,8 kW ist die Abschaltung temperaturabhängig; hierbei wird ein Warnsignal an einem dedizierten Pin generiert, das die Last auffordert, die Leistung nach Möglichkeit zu reduzieren. Abbildung 4 zeigt die Pegel und Zeitangaben an.
Die während Spitzenlastereignissen erreichten Sperrschichttemperaturen hängen naturgemäß vom Ausgangswert ab. Die maximal verfügbare Leistung bei sicherem Betrieb lässt sich durch Abschätzung der Temperatur anhand der Stromstärke und bekannter Bauteilkennlinien erzielen. Dies wird beispielsweise im Produkt BMR350 umgesetzt, wo der Strom überwacht und das Signal mit einem exponentiellen gleitenden Mittelwert (EMA) gefiltert wird. Dieses Verfahren kann durch ein duales EMA-Schema mit unterschiedlichen Gewichtungen erweitert werden, um zusätzlich die Auswirkungen variierender Abkühlzeiten zwischen Lastspitzen zu simulieren.
Ein umfassendes Set an Konstruktionswerkzeugen für maximale Leistung und minimale Belastung
Die Kombination aus der Software Flex Power Designer, FloTherm-Modellen und Hardware-Schutz bietet ein Werkzeugset für die schnelle und effiziente Entwicklung, Modellierung und Überwachung komplexer Leistungswandlungssysteme. Durch die Auswahl von Modulen aus der Flex-Leistungsmodulreihe lässt sich die thermische Leistung auf DC/DC- und Systemebene optimieren, um minimale Belastung bei maximaler Leistungsdichte und Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
