Tekoälypalvelimet, 5G-tukiasemat ja sähköautojen pikalaturit kasvattavat nopeasti teholähteiden vaatimuksia. Toshiba Electronics Europe näyttää nyt, miten piikarbidipuolijohteet, 3D-rakenne ja tarkkaan optimoitu lämmönhallinta voivat nostaa tehotiheyden täysin uudelle tasolle. Yhtiön uusi 3 kilowatin AC/DC-referenssisuunnittelu saavuttaa 1,25 watin tehotiheyden kuutiosenttimetriä kohden.

Monilla teollisuudenaloilla haetaan parhaillaan merkittävää hyppyä tehotiheydessä, jotta yhä suurempia energiamääriä voidaan tuottaa entistä pienemmistä rakenteista. Esimerkiksi tekoälypalvelimet tarvitsevat suorituskykyä sekä grafiikkaprosessoreilta (GPU) että neuroprosessoreilta (NPU), jotta ne pystyvät tukemaan erittäin monimutkaisia kielimalleja ja agenttipohjaisia AI-järjestelmiä. Telekommunikaatiosektori etsii tehokkaampia ratkaisuja vastaamaan tukiasemien kasvaviin tehovaatimuksiin. Myös liikenteessä useiden kilowattien tehon siirtäminen vaihtovirtalähteestä pikalaturiin on nopeasti muuttumassa keskeiseksi vaatimukseksi.

Vaikka piiriratkaisut ja komponenttiteknologiat ovat nostaneet wattimäärää kuutiosenttimetriä kohden, seuraavat parannukset edellyttävät valmistajilta myös uudenlaisten mekaanisten ratkaisujen tutkimista. Suuremman tehotiheyden muuntimet vaativat suunnittelua, joka menee yksittäisten komponenttien suorituskyvyn parantamista pidemmälle. Teknologinen kehitys mahdollistaa uusia topologioita, joten topologian, puolijohteiden ja mekaanisen rakenteen yhdistäminen on nyt ratkaisevan tärkeää.

Referenssisuunnittelujen arvo

Puolijohdevalmistajien kehittämät referenssisuunnittelut tarjoavat asiakkaille arvokasta tietoa uusista suunnitteluratkaisuista. Ne osoittavat, miten oikeilla komponenttivalinnoilla voidaan avata täysin uusia mahdollisuuksia ilman laajoja ja kalliita prototyyppiohjelmia.

Esimerkiksi sillaton tehonmuunnos vähentää komponenttien määrää PFC-rakenteissa poistamalla vanhojen ratkaisujen tasasuuntaussillan. Piikarbidin (SiC) käyttö tukee tätä kehitystä mahdollistamalla nopeamman kytkennän ja pienemmät häviöt verrattuna piipohjaisiin MOSFET-transistoreihin. SiC mahdollistaa myös vaihtoehtoiset kotelointiratkaisut, kuten pintaliitosrakenteet, korkeamman hyötysuhteen ja paremman lämmönhallinnan ansiosta.

Toinen esimerkki on eristetty 3 kilowatin AC/DC-muunnin, jossa yhdistetään puoliksi sillaton PFC-tuloaste ja vaiheensiirretty täyssiltarakenne (PSFB) lähtöasteessa suuremman tehotiheyden saavuttamiseksi. Ratkaisu perustuu aiempaan 1,6 kilowatin arkkitehtuuriin ja hyödyntää laajakaistaisiin puolijohteisiin perustuvaa pintaliitosrakennetta yhdessä uuden PCB-suunnittelun kanssa. Näin lähtöteho lähes kaksinkertaistettiin ilman merkittävää kasvua kokonaisvolyymissa.

Kuva 1. Innovatiivinen 3D-rakenne mahdollistaa 3 kW:n AC/DC-muuntimen tehotiheydeksi 1,25 W/cm³.

Tasomaisten rakenteiden rajoitukset

Useimmat tehomuuntimet suunnitellaan edelleen kaksiulotteisina rakenteina, joissa komponentit sijoitetaan yhdelle piirilevylle. Suuret passiivikomponentit, kuten kondensaattorit ja muuntajat, määrittävät tällöin koko järjestelmän korkeuden. Johdotetuilla komponenteilla ja pystysuuntaisilla jäähdytysrivoilla voidaan saavuttaa hyvä kompromissi lämmönhallinnan ja piirilevyn pinta-alan välillä. Paljastettu metallinen lämpötyyny tarjoaa tehokkaan lämpöreitin puolijohteesta jäähdytyselementtiin.

Tasomaisessa rakenteessa, jota ympäröivät korkeat passiivikomponentit, tällainen kotelointi toimii hyvin, koska pystysuuntainen jäähdytys pienentää piirilevyn vaatimaa pinta-alaa. Samalla se kuitenkin rajoittaa mahdollisuuksia parantaa tehotiheyttä mekaanisilla ratkaisuilla. Muunnin voidaan toki jakaa useille tytärkorteille, mutta silloin komponenttien korkeus alkaa rajoittaa suunnittelua. Tytärkorttien välinen etäisyys on mitoitettava siten, että tehopuolijohteet ja niiden jäähdytys mahtuvat rakenteeseen. Jos rakenteista tulee liian korkeita, pystysuuntaisten korttien etu katoaa, koska levyjen välinen etäisyys kasvaa.

Kun rakenne on jaettu tytärkorteille, matalaprofiilinen kotelointi mahdollistaa pystysuuntaiset ratkaisut, jotka pienentävät pääpiirilevyn vaatimaa pinta-alaa. Kompaktien tytärkorttien ei tarvitse olla juuri passiivikomponentteja korkeampia. Kun ne sijoitetaan samalla tavalla kuin jäähdytysrivat, myös lämmönpoisto paranee. Oikein suunniteltu lämpöjärjestelmä mahdollistaa sen, että yksi puhallin jäähdyttää samanaikaisesti tytärkorttien molemmat pinnat.

Perinteisillä piikomponenteilla tarvitaan usein kotelointeja, jotka vievät paljon tilaa. SiC tarjoaa paremman lämpökäyttäytymisen ja korkeamman hyötysuhteen, mikä mahdollistaa uudenlaisten kotelointien käytön suuritehoisissa kytkimissä. Korkea hyötysuhde ja kyky toimia korkeissa liitoslämpötiloissa mahdollistavat pintaliitoskoteloiden käytön ja avaavat uusia mahdollisuuksia 3D-rakenteisiin. Pintaliitosratkaisujen ansiosta kortit voidaan sijoittaa hyvin lähelle toisiaan, jolloin käytännön rajoitteeksi jää lähinnä lämmönhallinta.

Topologian valinta

Kun tavoitteena oli osoittaa kompaktien kytkentäkomponenttien edut tytärkorteilla, PFC- ja AC/DC-vaiheille arvioitiin useita topologioita. Täysin sillattomat ratkaisut vähentävät diskreettien komponenttien määrää poistamalla tasasuuntaussillan etupään diodit, mutta puoliksi sillaton rakenne osoittautui parhaaksi kompromissiksi tehotiheyden ja toiminnallisuuden välillä.

Kaksoisboosteriin perustuva puoliksi sillaton topologia käyttää useita lisädiodieja, Daa–Ddd, vähentämään kohinaa ja käynnistysvirtapiikkejä. Diodit on kuitenkin sijoitettu siten, että Dcc ja Ddd eivät enää vaikuta piirin toimintaan käynnistyksen jälkeen.

Kuva 2. Puoliksi sillattoman PFC-piirin toiminta.

Toshiban kehittämä PFC-vaihe käyttää kahta keskeistä SiC-komponenttia: TW092V65C 650 voltin enhancement-mode MOSFETia sekä TRS12V65H Schottky-estodiodia. Molemmat on pakattu kompakteihin DFN8x8-koteloihin, joissa on alapuolinen lämpötyyny lämmönsiirron parantamiseksi. MOSFETin johtovastus on alle 100 milliohmia, ja siinä on integroituna Schottky-diodi, joka vähentää kiderakenteeseen syntyviä virheitä käänteiskäytössä.

Kuva 3. DFN8x8-kotelo ja sen lämpötyyny.

PFC-vaiheen lähtö syöttää vaiheensiirrettyä täyssiltamuunninta (PSFB), joka alentaa jännitteen 50 volttiin muuntajan ja suodatusvaiheen avulla. PSFB käyttää neljää ensiöpuolen MOSFET-transistoria antiparalleelisilla Schottky-diodeilla. Näin saavutetaan nollajännitekytkentä (ZVS), joka minimoi suurten tehojen kytkentähäviöt. Tässä vaiheessa käytetään TW027U65C SiC-MOSFETia TOLL-kotelossa, jossa metallinen lämpölevy tehostaa lämmönsiirtoa.

PFC- ja PSFB-vaiheiden korkeataajuiset kytkentäkomponentit vaativat tehokkainta lämmönhallintaa suurten jännitteiden ja kytkentätaajuuksien vuoksi. Nämä komponentit voidaan sijoittaa omille tytärkorteilleen, kun taas suuret passiivikomponentit, kuten muuntajat ja kuristimet, jäävät päälevylle. Tämä parantaa rakenteen joustavuutta ilman hyötysuhteen heikkenemistä, sillä matalaresistanssiset juotosliitokset säilyttävät hyvän sähkönjohtavuuden.

Kuva 4. Virtalähderakenne, jossa näkyvät PFC- ja PSFB-osat.

SiC-teknologian kehitys mahdollisti lähtötehon nostamisen 1,6 kilowatista noin 3 kilowattiin. Vaikka ratkaisu vaati suurempia kondensaattoreita, monilevyrakenne paransi tehotiheyttä 34 prosenttia.

Lämmönhallinnan optimointi

Näin suuri tehotiheyden kasvu nosti lämmönhallinnan keskeiseksi haasteeksi. Jos lämpöä ei saada tehokkaasti pois kytkentäpiireistä, suorituskyky kärsii. Vaikka DFN- ja TOLL-koteloiden lämmönjohtavuus alapuolen kautta on hyvä, lämpösuunnittelua piti optimoida edelleen, jotta uuden rakenteen kaikki edut saatiin käyttöön.

Kuva 5. Ensimmäisen PFC-tytärkortin layout ja lämpöanalyysi.

Ensimmäisen prototyypin arviointi osoitti kuumia pisteitä kahden tehopuolijohteen ympärillä PFC-tytärkortilla. Kytkentätoiminnan aiheuttama lämpösykli ΔTc saattoi nousta jopa kolminkertaiseksi verrattuna Toshiban sisäiseen 60 asteen rajaan. Tällöin lähtöteho olisi pitänyt rajoittaa 1,4 kilowattiin.

Täyden 3 kilowatin lähtötehon saavuttaminen vaati parempaa lämmönsiirtoa. Ratkaisuksi lisättiin lämpötyynyjen alle läpivientejä, joiden kautta lämpö siirtyy jäähdytyselementtiin. Simulaatiot osoittivat, että läpivientien täyttäminen kasvattaa merkittävästi lämmönjohtavuutta ja pudottaa kuumimpien komponenttien ΔTc-arvon yli puolella.

Kun läpivientien täytemateriaaliksi vaihdettiin sähköä johtava aine, lämmönjohtavuus parani edelleen. Lisäksi kaksi pientä muuntajaa siirrettiin tytärkortin etupuolelle, jolloin kaksi erillistä jäähdytyselementtiä voitiin korvata yhdellä suuremmalla. Yhdessä piirilevyn paksuuden kasvattamisen kanssa tämä pudotti ΔTc-arvon selvästi alle kriittisen 60 asteen. Käytännön testit osoittivat, että uudistettu rakenne pystyi helposti yli 3,1 kilowatin lähtötehoon. Lämpökamerakuvat kuitenkin paljastivat, että yksi PFC-kortin MOSFET-transistoreista kävi edelleen selvästi muita kuumempana.

Kuva 6. Kolmella ruuvilla kiinnitetty jäähdytyselementti aiheutti heikon lämmönsiirron yhden keskeisen transistorin kohdalla.

Ongelman syy löytyi jäähdytyselementin mekaanisesta kiinnityksestä. Kolmella ruuvilla toteutettu puristus ei painanut jäähdytyselementtiä tasaisesti piirilevyn takapintaa vasten, jolloin transistorin kohdalle jäi kuuma alue. Pieni rakenteellinen muutos, jossa kiinnityspisteitä lisättiin diagonaalisesti, ratkaisi ongelman. Lopulta suunnittelutiimi päätyi neljän ruuvin ratkaisuun, joka varmisti tasaisen puristuksen koko jäähdytyselementin alueella. Tämän ansiosta kaikkien PFC-tytärkortin tehopuolijohteiden ΔTc-arvot laskivat alle 50 asteeseen.

Kuva 7.  Lopullisen rakenteen lämpökuva osoittaa, että ΔTc pysyy hyvin suunnittelurajojen sisällä.

Parempi tehotiheys

Koteloinnin, piiritopologian, layoutin ja lämpösuunnittelun optimointi yhdessä simulointiin perustuvan kehitystyön kanssa auttoi ymmärtämään paremmin, miten suurempia energiamääriä voidaan tuottaa pienemmissä rakenteissa. Samalla osoitettiin, että monien teollisuudenalojen kasvaviin tehovaatimuksiin voidaan vastata kasvattamalla tehotiheyttä yli 30 prosenttia. Lopputuloksena syntyi tehomuunnin, joka pystyy ylläpitämään 3 kilowatin tehon 2400 kuutiosenttimetrin tilavuudessa ja saavuttaa 1,25 W/cm³ tehotiheyden.

Prosessi korosti myös referenssisuunnittelujen merkitystä. Niiden avulla asiakkaat voivat nähdä, kuinka nopeasti uusia tekniikoita voidaan soveltaa omien tehonsyöttöjärjestelmien optimointiin kapasiteetin ja hyötysuhteen näkökulmasta. Suhteellisen pienillä muutoksilla topologiassa ja komponenttivalinnoissa voidaan kehittää tehomuuntimia hyvin erilaisille markkinoille telekommunikaatiosta sähköiseen liikenteeseen. Samalla ratkaisu toimii hyvänä esimerkkinä siitä, mitä SiC-teknologian ja uudenlaisten kotelointiratkaisujen yhdistelmällä voidaan saavuttaa.