Passive Kühlung ohne Derating und lange Lebensdauer

AUTRONIC, ein Unternehmen der Fortec-Gruppe, gehört mit seiner Expertise passiv gekühlter Stromversorgungen für den Einsatz in rauen Umgebungen und in der Bahntechnik zu einem der technologischen Marktführer. Ein breites Portfolio an DC/DC-Wandlern wird durch zahlreiche kundenspezifische Stromversorgungen bis zum Leistungsbereich von 900 W ergänzt und zählt damit, neben der EMS-Dienstleistung, zu den Stärken von AUTRONIC. Lüfterlose und damit passiv gekühlte Stromversorgungen sind oftmals ein Muss, wenn lange Verfügbarkeiten und Einsatzzeiten gefordert sind. Eine enorme Herausforderung ist dabei, dass sich die geforderten Einsatzbereiche und Umgebungstemperaturen oft im Grenzbereich bewegen, wenn es an die Auswahl der zur Verfügung stehenden Bauteile und Technologien geht. Und immer wieder ist von Begriffen wie Useful-Life die Rede, also welche Lebenserwartung die PSU mit sich bringt. Anhand einer üblichen Anforderung bzgl. Temperatur betrachten wir das Thema genauer: Temperaturbereich von -50 °C bis +100 °C Natürliche Konvektion gewährleistet (aber oft nicht näher spezifiziert) Kontaktfläche zur Wärmeableitung ist vorhanden Temperaturdelta der Bauteile max. 15 °C über Umgebungstemperatur Volle Leistung über den ganzen Temperaturbereich (ohne Derating) Der Temperaturbereich sollte genauer spezifiziert werden und ob er als dauerhafte Umgebungstemperatur gesehen werden soll. Vor allem kennzeichnet der genannte Wert die Temperatur in unmittelbarer Umgebung der PSU oder die außerhalb der Applikation. Außerhalb der Anwendung bedeutet, dass innerhalb eine nicht unwesentlich höhere Temperatur durch Eigenerwärmung herrscht. Zusätzlich sollte spezifiziert sein, ob weitere Wärmequellen in der Nähe vorhanden sind, wie z.B. Prozessoren. Beides kann entscheidenden Einfluss auf den Entwicklungsprozess und die Bauteilauswahl haben. Auch für Anwendungen bei Minusgraden müssen Bauteile gewählt werden, die bereits für die entsprechenden Temperaturen ausgelegt sind oder durch ein zusätzliches Screening freigegeben wurden. Eine natürliche Konvektion und Kontaktierung an eine wärmeaufnehmende Fläche soll den Wärmestau verhindern. Wird das Temperaturdelta der kritischen Bauteile möglichst geringgehalten, kann das die Lebenszeit in einem erwarteten Zeitfenster halten und die Kühlung einfacher gestalten. Unter dem Gesichtspunkt des Useful-Lifes (Service-Life), sind Kondensatoren i. d. R. die „schwächsten“ Bauteile einer Stromversorgung.

Wie aus diesem Beispiel zu sehen ist, kann die zu erwartende Lebensdauer (Kondensator A) theoretisch von 6 bis 52 Jahren reichen. Wobei bemerkt werden muss, dass Elko-Hersteller die Lebenszeit der Bauteile einschränken, beispielsweise auf maximal 15 Jahre.

Ein entsprechendes Design berücksichtigt die Belastung der Bauteile und deren Erwärmung. Der Entwickler muss geeignete Bauteile einsetzen, die den Kundenwunsch erfüllen, also Elektrolyt-Kondensatoren mit längerer Lifetime, geringerer Eigenerwärmung oder höheren Einsatztemperaturen.

Erkenntnis: Bei der Auswahl der Elkos ist es entscheidend, welche Type ausgewählt wird. Nur damit wird die theoretisch erwünschte Lebensdauer erreicht, die auch den Auftraggeber überzeugen kann. Zusätzlich ermöglicht es die volle Leistungsabgabe über die gesamte Lebensdauer der Stromversorgung.

Die Herausforderung für den Entwickler ist die Anforderung, stets volle Leistung über den gesamten Temperaturbereich OHNE Derating zur Verfügung zu stellen. Von z. B. -50 °C bis +100 °C wird mit unterschiedlichen Lasten ein identisches Verhalten des Wandlers erwartet. Die PSU muss sich im rauen Alltagsbetrieb bei Extremtemperaturen genauso verhalten, als wäre die Umgebungstemperatur stets 25 °C. Das Starten einer Maschine bei -50 °C oder der Dauerbetrieb bei 90 °C - der User darf keinen Unterschied feststellen.

Doch wie kann das sichergestellt werden? Soll das Netzteil nicht völlig überdimensioniert entwickelt werden, heißt es:

• Kontaktmöglichkeit zur Wärmeabführung oder Platz für einen ausreichend großen Kühlkörper muss vorhanden sein
• Natürliche Konvektion vorhanden
• Sehr hoher Wirkungsgrad, damit so wenig wie möglich Wärme „entsorgt“ werden muss
• Sorgfältige Auswahl der Bauteile mit entsprechendem Temperaturpuffer
• Sorgfältige Beachtung des Wärmemanagements während der Designphase

Bauteile mit gleicher thermischer Belastung sind heute mit wesentlich höherem Wirkungsgrad deutlich leistungsfähiger als vor Jahren, hier ist ein deutlicher Sprung zu sehen.

Beispielsweise zeigt sich bei einer max. Erwärmung von +40 °C zur Umgebungstemperatur, dass bei älteren Designs ca. 60 W zur Verfügung standen, bei neueren Geräten mehr als die doppelte Leistung (ca. 150 W) möglich ist.

Der Entwickler hat nun folgende Möglichkeiten:

• Bauteile mit geringeren thermischen Belastungen auszuwählen oder
• mit gleichen thermischen Belastungen die Leistung zu steigern

Wenn die Bauteile mit geringerer thermischer Belastung ausgelegt werden, heißt das i.d.R. weniger Wärme und damit langsamere Alterung und somit eine längere Lebensdauer. Dies geht einher mit dem klaren Vorteil, dass die Kundenapplikation thermisch geringer belastet wird.

Damit ist das Ziel der vollen Leistungsabgabe über den kompletten Temperaturbereich besser zu erreichen. Zur Auswahl der Bauteile betrachten wir weiterhin die Kondensatoren. Neben den Elektrolyt-Kondensatoren können Polymer-Kondensatoren ausgewählt werden, mit folgendem Resultat:

Auf den folgenden Bildern ist gut zu sehen, wie sich die Hitzeentwicklung auf einem Gerät mit schlechter Anbindung zur Wärmeabfuhr darstellt (hier als Beispiel der Wandler ACR120 mit und ohne Verguss bei 4 A Belastung):

Der Temperaturunterschied macht bei wichtigen Bauteilen 15 °C aus. Daraus kann der Schluss gezogen werden, dass ein Gerät schneller altert und die Wahrscheinlichkeit eines Bauteil-Ausfalls höher ist. Siehe auch Tabelle 1 und 2.

Eine theoretische MTBF Berechnung (nach IEC TR 62380 – Profil: 365 Zyklen/a; 100 % Betrieb; Temperaturdelta: 20 K) anhand folgenden Beispiels belegt dies durch die Berechnung eines DC/DC-Wandlers (AUTRONIC-Wandler HFC50):

Allein der Unterschied der Ta von +15 °C bewirkt eine theoretische Reduzierung der Wahrscheinlichkeit des Ausfalls eines Wandlers um ca. 13 % bei einer Betriebszeit von einer Million Stunden.

Die kompakten AUTRONIC DC/DC-Wandler mit ultraweitem Eingangsbereich (11:1; HFC-Serien; 20 W bis 200 W) erzielen durchgängig Wirkungsgrade von bis zu 92 % und MTBF-Werte von >500.000 h, bei Open-Frame Ausführung sogar nur mit einfachster Kontaktierung und Anbringung kleiner Wärmeleitpads (siehe Abbildung 4, graue Pads) an den Hot-Spots, wie z. B. den Halbleitern.

Wärme stellt in der Stromversorgung die ineffizienteste, weil verlorene Art von gewandelter Energie dar. Es war und ist für Netzteilentwickler deshalb die größte Herausforderung, jederzeit den höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen, um passive Kühlung ohne Derating über den ganzen zugesagten Temperaturbereich anzubieten. Neben dem Design und der Möglichkeit der passiven Kühlung ist es wichtig, die Bauteilauslegung und das Design so zu wählen, dass genügend Reserven vorhanden sind. Schon alleine durch höherwertige Komponenten oder großzügig ausgelegte Dimensionierung (siehe Beispiel Elektrolyt-/Polymerkondensator) kommt man dem Ziel näher.