Kontaktgekühlte AC/DC-Leistungswandler für raue Anwendungen

Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer Geräte sehen sich die Entwickler von Stromversorgungsgeräten und AC/DC-Wandlermodulen für raue Umgebungen mit immer anspruchsvolleren Leistungs-, Umwelt- und Verpackungsanforderungen konfrontiert. Obwohl sich die Rolle eines netzgekoppelten Leistungswandlermoduls nicht grundlegend geändert hat, ist mehr erforderlich, um es in der Praxis voll funktionsfähig zu machen.

Zum einen ist da das Problem der Kühlung, denn selbst ein effizientes Netzteil gibt Wärme ab. Dann muss der Entwickler die elektrischen und Formfaktor-Anforderungen auf der Systemebene berücksichtigen. Und schließlich muss der Leistungswandler über Funktionen verfügen, die die Implementierung vereinfachen und den Umrichter, den Benutzer und die Last vor nachteiligen Ereignissen schützen.

Dieser Artikel befasst sich kurz mit den Herausforderungen, denen sich Entwickler von Stromversorgungssystemen für raue Umgebungen stellen müssen. Anschließend wird eine Familie von kontaktgekühlten AC/DC-Wandlern für 504 W von Advanced Energy vorgestellt und gezeigt, wie sie diese Herausforderungen meistern.

Beginnen Sie mit der Herausforderung der Kühlung

Von wenigen Ausnahmen abgesehen, müssen Entwickler, die einen AC/DC-Wandler in ein System einbauen, auch festlegen, wie die erzeugte Wärme abgeleitet werden soll. Auch wenn moderne Leistungswandler einen relativ hohen Wirkungsgrad von 80 % bis 90 % oder mehr haben, entsteht dennoch Wärme, die abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Netzes und damit eine Beeinträchtigung der Leistung und Zuverlässigkeit zu vermeiden.

Die Wärmephysik zeigt, dass es drei Möglichkeiten gibt, diese Wärme abzuführen (Abbildung 1):

1. Leitung, durch direkten Kontakt einer festen Oberfläche mit einer festen Oberfläche
2. Konvektion, durch ein sich bewegendes Fluid, das Luft oder Flüssigkeit sein kann
3. Strahlung als elektromagnetische (vor allem infrarote) Energie, die in einem Vakuum auftreten kann

Abbildung 1: Wärmeenergie kann durch Leitung, Konvektion oder Strahlung abgeführt werden. (Bildquelle: Nuclear Power)

Die Strahlungskühlung ist für elektronische Systeme im Allgemeinen ungeeignet, da sie nur eine relativ geringe Wärmemenge überträgt. Für Raumfahrzeuge, die ihre Wärme an das Vakuum des Weltraums abgeben müssen, ist die Strahlung jedoch von entscheidender Bedeutung.

Die meisten Entwickler ziehen es vor, ihre Kühlstrategie mit Konvektion eines ungezwungenen (natürlichen) oder lüfterunterstützten Luftstroms zu beginnen, wobei die Luft durch Öffnungen und Entlüftungen in der Umrichtereinheit strömt. Diese Methode der Kühlung ist relativ kostengünstig und leicht zu beurteilen.

Der Ansatz der Konvektionskühlung ist jedoch in vielen realen Installationen nicht praktikabel. Der Wandler muss sich im versiegelten IP-Gehäuse der Anwendung befinden, um vollständigen Schutz gegen Wasser, Regen, Staub und andere Verunreinigungen zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die meisten Standardwandler nicht für eine Leitungskühlung ausgelegt oder verpackt.

Eine andere Konstruktion ist erforderlich, wenn die Kühlung ausschließlich durch Wärmeleitung vom Gehäuse des Leistungswandler zu einer angrenzenden Oberfläche erfolgen muss. Dies wird oft als Kontakt- oder Kaltwandkühlung bezeichnet. Das Gehäusedesign der Leistungswandlerfamilie Artesyn AIF500 von Advanced Energy (Abbildung 2) ist ein gutes Beispiel für diesen Ansatz.

Abbildung 2: Die Leistungswandler Artesyn AIF500 arbeiten mit Kontakt- oder Kaltwandkühlung. (Bildquelle: Advanced Energy)

Diese flachen Komponenten sind auf einer Leiterplatte montiert. Sie haben einen Footprint von 4,6 × 2,4 Zoll (Zoll), eine Höhe von 0,55 Zoll (116,84 × 60,96 × 13,95 Millimeter (mm)) und ein Gewicht von 260 Gramm (9,2 Unzen).

Sie sind in erster Linie für die Anforderungen der 5G-Telekommunikationsanwendungen an die HF-Stromversorgung von Funkköpfen konzipiert. Sie sind auch für Displays und industrielle Anwendungen geeignet. Ihre mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen (MTBF) beträgt über eine Million Stunden.

Die Module sind so konzipiert, dass sie über ihre Grundplatte kontaktgekühlt werden (Abbildung 3) und ihre volle Leistung über einen weiten Grundplattentemperaturbereich von -40°C bis +100°C abgeben können.

Abbildung 3: Die AIF500-Module sind für die Leitungskühlung über ihre Grundplatte ausgelegt, die in direktem Kontakt mit einer kälteren Oberfläche steht. (Bildquelle: Advanced Energy)

Auswahl eines Leistungswandlers

Die Auswahl eines Leistungswandler beginnt mit den wichtigsten Leistungsanforderungen. Dazu gehört die Fähigkeit, eine konstante Ausgangsspannung an die Last zu liefern, auch wenn die Netzspannung im eingeschwungenen Zustand schwankt, Spannungstransienten auftreten, sich der Lastbedarf ändert und die Umgebungstemperatur schwankt.

Die vollständig gekapselten AIF500-Komponenten arbeiten mit 90 V_AC bis 264 V_AC. Zu den Optionen gehören das AIF42BAC-01N mit seinem festen 12V/42A-Ausgang oder das für 48V/10,5A ausgelegte AIF11WAC-01N. Die Hochlaufzeit bis zur vollen Leistung, ein wichtiger Parameter in vielen Anwendungen, beträgt 3,5 Sekunden (s), während die Netzregelung ±0,2 % und die Lastregelung ±4 % beträgt.

Neben einem weitreichenden AC-Netzeingang und einem gut geregelten DC-Ausgang verfügen die AIF500-Wandler auch über Schutzfunktionen wie Unterspannungsabschaltung (UVLO), Überspannungsschutz (OVP) und Überstromschutz (OCP). Die interne Einschaltstrombegrenzung minimiert den Bedarf an externen Schaltungen, um Schäden durch Anlaufstromspitzen zu verhindern.

Darüber hinaus erfüllen die Wandler die einschlägigen Sicherheitsnormen EN, UL, Canada UL, IEC und EN 62368-1 und tragen die CE- und UKCA-Sicherheitszeichen. Diese Zertifizierungen erhalten sie unter anderem aufgrund ihrer mehrfachen Isolationswerte von 4000 V_DC Eingang-zu-Ausgang, 2500 V_DC Eingang-zu-Bodenplatte und 100 V_DC Ausgang-zu-Bodenplatte.

Gesetzliche Vorschriften und gute technische Praxis erfordern eine Minimierung der Wärmebelastung, um einen hocheffizienten Betrieb zu erreichen. Diese Wandler bieten einen Wirkungsgrad von über 90 %, wenn sie mit halber oder höherer Ausgangsleistung betrieben werden. Die 12V-Einheit, die an einer 230V_AC-Leitung betrieben wird, hat zum Beispiel einen Wirkungsgrad von über 93 % bei einer Ausgangsleistung von 300 W oder mehr (Abbildung 4). Bei mehr als 300 W übersteigt der Leistungsfaktor (PF) 0,99 und übertrifft damit die gesetzlichen Vorgaben.

Abbildung 4: Der Wirkungsgrad des AIF500 bei der Leistungsumwandlung beträgt mehr als 90 %, wenn er oberhalb der mittleren Last betrieben wird, was die Wärmeabgabe reduziert und die gesetzlichen Anforderungen erfüllt. (Bildquelle: Advanced Energy)

Hinzufügen von Merkmalen und Funktionen auf Systemebene

Heutige Wandler müssen mehr bieten als zwei Drähte für den Wechselstromeingang, zwei Drähte für den Gleichstromausgang und zwei Fernsteuerleitungen. Sie müssen auch auf Systemebene mit zusätzlichen Verbindungen und Funktionen integriert werden.

Die AIF500-Wandler verfügen beispielsweise über einen direkten „Unit Good“-Ausgang und einen TTL-Pegel-Eingang zur Fernaktivierung. Wenn sie nicht aktiviert sind, beträgt ihre Standby-Leistung 5 W. Diese Melde- und Steuersignale sind nur ein Ausgangspunkt für die Vernetzung, da die Wandler auch über eine PMBus-Schnittstelle verfügen.

Zu den weiteren Merkmalen gehört der stets eingeschaltete Hilfsausgang mit fester Spannung von 8 V_DC bis 11 V_DC bei 250 mA, der kleine, kritische Lasten unterstützt.

Bei einer Konfiguration mit nur einer Einheit sind nur ein externer EMI-Filter, ein Überbrückungskondensator und ein Ausgangskondensator erforderlich.

Für Anwendungen, bei denen der Ausgangsstrom einer einzelnen AIF500-Einheit nicht ausreicht, unterstützen die Einheiten eine aktive Stromaufteilung, die die Konfiguration mit einer Einheit auf maximal zehn Einheiten mit einfachen Verbindungen zwischen den Einheiten erweitert (Abbildung 5). Bei dieser Anordnung mit parallelem Ausgang müssen nur die Halte- und Ausgangskondensatoren für die zweite Einheit (und jede weitere Einheit) hinzugefügt werden; weitere Komponenten sind nicht erforderlich.

Abbildung 5: Eine einzelne AIF500-Einheit erfordert nur wenige externe Komponenten für den Betrieb (oben); bis zu 10 können problemlos parallel geschaltet werden, wenn ein höherer Ausgangsstrom benötigt wird (unten). (Bildquelle: Advanced Energy)

Der PMBus ermöglicht eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Die grafische Benutzeroberfläche vereinfacht die Steuerung und Überwachung eines Moduls oder mehrerer Module in der Entwicklungsphase und während der Anwendungsbereitstellung. Sie bietet Einblicke in Spannungen, Ströme und den Status der wichtigsten Betriebskennzahlen und physikalischen Punkte.

Fazit

Ein robuster AC/DC-Wandler beginnt mit einer soliden Konstruktion, aber die Bereitstellung einer angemessenen Kühlung ist immer ein Problem, insbesondere bei exponierten Installationen. Die vollständig gekapselten Wandler der Artesyn-AIF500-Familie sind so konzipiert, dass sie mit Hilfe von Kontaktkühlung an ihren Grundplatten bis zu einer Temperatur von +100°C funktionieren. Diese Einheiten bieten eine überragende Performance und verfügen über zusätzliche Funktionen und Merkmale, wie z. B. eine PMBus-Schnittstelle, die es ihnen ermöglichen, als systemkompatible Wandler zu arbeiten und nicht nur als wichtige Quellen für geregelte Gleichstromausgänge.