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Wenn Power-Module ihr Silizium selbst kühlen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Richard Oed

Wie kann bei einem kompakten Power-Modul das Silizium des Schaltreglers weniger heiß werden, als bei einer diskret aufgebauten Lösung? Die Spule ist die Lösung des Rätsels.
Wie kann bei einem kompakten Power-Modul das Silizium des Schaltreglers weniger heiß werden, als bei einer diskret aufgebauten Lösung? Die Spule ist die Lösung des Rätsels. (Bild: VCG)

Kompakten Power-Modulen wird nachgesagt, dass sie ein schlechteres thermisches Verhalten aufweisen als diskret aufgebaute Lösungen. Ist das Modul jedoch in der Component-On-Package-Technik ausgeführt, gerät dieses Vorurteil ins Wanken.

Power-Module sind Spannungswandler, welche neben den Schalttransistoren und der zugehörigen Ansteuerung auch noch die benötigte Induktivität integriert haben. Im Idealfall bietet ein Power-Modul eine komplette Spannungsversorgung mit nur wenigen externen, passiven Komponenten auf sehr kleinem Raum. Die Vorteile liegen auf der Hand: Es ist nur wenig Expertise im Bereich der getakteten Spannungswandlung nötig, die Entwicklung einer passenden Spannungsversorgung geht recht schnell und der notwendige Platzbedarf ist sehr gering.

Bild 1 zeigt die COP-(Component-On-Package-)Technik des LTM4638, einem Power-Modul aus der Familie der µModule von Analog Devices. Der LTM4638 benötigt mit allen externen Bauteilen zusammen nur circa einen Quadratzentimeter Platz auf einer Platine. Und dies trotz eines möglichen Ausgangsstrom von bis zu 15 A. Bei Modulen, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, ist die Spule nicht im Gehäuse unter einer Schicht Gehäusematerial vergossen, sondern ragt nach oben aus dem Gehäuse heraus. Dies hat enorme thermische Vorteile.

Es besteht immer wieder das Vorurteil, dass kompakte Power-Module zwar Vorzüge besitzen, thermisch jedoch einen Nachteil haben. Dabei wird angenommen, dass eine eng gepackte Anordnung bei gleicher Verlustleistung Probleme bereitet, die entstehende Verlustwärme abzuführen. Häufig wird vermutet, dass ein solches Modul heißer wird, als eine diskret aufgebaute Schaltung mit externer Induktivität.

Diese Annahme ist bei vielen Anwendungen jedoch nicht richtig. Die Spule ist ein großer Bauteil, das sich gut als Kühlkörper eignet, da sie selbst nur wenig Wärme erzeugt. Damit zählt die Induktivität in etlichen Applikationen zu den kühlen Komponenten auf einer Platine. Das Silizium des Schaltreglers mit den integrierten Leistungstransistoren erzeugt meist trotz nur geringer Siliziumfläche eine wesentlich größere Verlustwärme. Ein Anordnen von Leistungshalbleitern und Induktivität nebeneinander führt dazu, dass die gesamte Wärme des Siliziums durch die elektrischen Anschlüsse des ICs in die Platine geführt werden muss und von dort an die Umgebung abgeführt wird.

Die Oberseite eines Schaltregler-ICs gibt zwar auch Wärme an die Umgebungsluft ab. Es handelt sich hierbei aber nur um einen kleinen Teil, da das Gehäuse Wärme schlecht leitet. Außerdem ist die Oberfläche des ICs recht klein. Ein Zusammenführen des Schaltregler-ICs mit der großen Induktivität als Kühlkörper erweist sich als ideale Kombination, um Verlustwärme des Schaltreglersiliziums mit einer großen Fläche elegant nach oben an die Umgebungsluft abzugeben.

In Bild 2 und 3 wollen wir diese Behauptung mit einem echten Beispiel untermauern. Bild 2 zeigt die thermische Aufnahme eines LTM4638. Dieser ist so beschaltet, dass eine Eingangsspannung von 12 V auf eine Ausgangsspannung von 1 V bei einem Ausgangsstrom von 15 A gewandelt wird. Die Messung wurde bei Raumtemperatur und stehender Luft ohne zusätzlichen Kühlkörper gemacht. Hier ist zu erkennen, dass das Silizium nur circa 69 °C erreicht. Die Spule auf der Oberseite des Gehäuses hat eine Temperatur von ca. 77,3 °C.

Bild 3 zeigt dieselbe Schaltung wie Bild 2, die jedoch nicht als Power-Modul ausgeführt, sondern diskret mit den gleichen Komponenten aufgebaut ist, wie sie auch im LTM4638-Modul verwendet werden. Dabei wurden die Bauelemente nebeneinander auf der Platine angeordnet und unter denselben Einsatzbedingungen wie der LTM4638 betrieben. Deutlich ist zu erkennen, dass die Spule rechts unterhalb des Schaltreglers mit 65,8 °C relativ kühl bleibt; es wird hauptsächlich die eigene Verlustleistung der Spule an die Umgebungsluft abgegeben. Der Schaltregler-IC jedoch wird mit 95,5 °C sehr heiß. Die von ihm erzeugte Wärme kann über die Leiterplatte und die Luft nur schlecht abgeführt werden.

Fazit: Eine hochintegrierte Schaltung in einem Power-Modul kann dazu führen, dass der Chip eines Schaltreglers wesentlich kühler bleibt. Dadurch kann die Schaltung bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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