Halbleiterhersteller Die neuen Anforderungen an Schaltnetzteile

Autor / Redakteur: Francesco Di Domenico * / Gerd Kucera

Energieeffizienz und Leistungsdichte sind mehr denn je im Fokus beim Schaltnetzteil-Design. Hierbei übernehmen Halbleiterhersteller eine neue Rolle für den Fortschritt bei Schaltnetzteilen.

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(Bild: Infineon)

Die Verbesserung des Lebensstandards erfordert im Wesentlichen immer mehr Energie in elektrischer Form. Leistungselektronik dient hier der Umsetzung der elektrischen Energie in jene Ausprägungen wie wir sie im täglichen Leben nutzen. Ein modernes System zur Leistungswandlung besteht aus einer Energiequelle, einer elektrischen Last und Steuer- bzw. Regelfunktionen. Letztere empfangen Informationen von der Energiequelle und der Last und entscheiden, wie die Schalter arbeiten sollen.

Nach diesem Prinzip arbeiten auch Schaltnetzteile (SMPS, Switched Mode Power Supply), die einen hochfrequenten Schalter (meist einen Transistor) mit variablem Tastverhältnis nutzen, um die gewünschte, geregelte Ausgangsspannung zu erhalten. Ein AC/DC-Schaltnetzteil besteht aus drei Hauptstufen, wie in Bild 1 für eine typische IT-Server-Anwendung dargestellt.

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Für jede der drei Stufen spielen Leistungs- und Logik-Komponenten auf Halbleiter-Basis eine elementare Rolle: Hochvolt-Leistungs-MOSFETs, Dioden und Controller in den Leistungsfaktorkorrektur (PFC)- und PWM/Resonanz-Stufen sowie Niedervolt-MOSFETs oder Dioden in der Gleichrichter-Stufe. Halbleiter sind die Schlüsselelemente für die Weiterentwicklung von Schaltnetzteilen, entsprechend dem allgemeinen Trend in Elektroniksystemen. Bisher war die Historie der Leistungselektronik eng mit den Fortschritten der Halbleiterbausteine verknüpft.

In letzter Zeit geht der Trend von einem Baustein-getriebenen Ansatz hin zum Applikations-getriebenen Szenario in einer Systementwicklungsumgebung. Diese Veränderung basiert im Wesentlichen darauf, dass moderne Halbleiter mit entsprechenden Leistungsklassen für nahezu alle gängigen Anwendungen existieren. Daher suchen Entwickler vermehrt nach einem flexibleren, zuverlässigeren und effizienteren Weg, die Bausteine zu nutzen.

Entsprechend dem neuen Systemansatz stehen Energieeffizienz und Leistungsdichte mehr und mehr im Fokus von Schaltnetzteil-Designs, insbesondere in IT-Anwendungen. Bild 2 zeigt den populärsten Effizienz-Standard in diesem Umfeld: 80Plus. Dieser definiert die Minimalanforderungen unter typischen Lastbedingungen (10, 20, 50 und 100%). Der neueste Standard Titanium beschreibt sogar die Anforderungen für die sehr kleine Last von nur 10%. Das entspricht heute gängigen Computersystemen, in denen jede Stromversorgung üblicherweise in einer N+1-Konfiguration arbeitet, sodass die meiste Zeit über die Last eher bei 10 als bei 100% liegt.

Tatsächlich war früher der Bedarf nach besserer Effizienz bzw. höherem Wirkungsgrad hauptsächlich dadurch getrieben, die Wärmeableitung bei voller Last zu optimieren, ohne ein akustisches Rauschen zu erhöhen. Also stand die Optimierung der Effizienz bei Volllast im Mittelpunkt.

Allerdings hat in letzter Zeit das rasante Wachstum in der Konsumelektronik und Datenverarbeitung dazu geführt, dass die Anforderungen an Optimierungen bei geringeren Lasten stiegen. So kann die Arbeitslast bei Web-Diensten je nach Tageszeit, Applikation und bedingt durch externe Ereignisse stark schwanken. Das gilt auch für High Performance Computing (HPC) und Cloud-Server.

Um die geforderte Effizienz auch bei geringen Lasten zu erfüllen, ergeben sich spezielle Design-Anforderungen an die Schaltnetzteil-Hersteller und damit auch an die Anbieter von Leistungshalbleitern und Steuer-ICs. Es müssen demnach Technologien entwickelt werden, um den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils über den gesamten Lastbereich zu optimieren.

Ein modernes Rechenzentrum besteht aus einem Array von Schaltschränken. In jedem Einschub findet man einen Server und jeder Server hat ein Schaltnetzteil. Damit befinden sich in einer solchen Server-Struktur zahlreiche Stromversorgungen.

Betrachtet man den Strombedarf einer typischen Server-Farm genauer, dann erkennt man, dass für jedes Watt an Leistung für die Datenverarbeitung mehr als zwei Watt für die Leistungsumsetzung und Kühlung verschwendet werden.

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