GERY013C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

Was ist Leistungsdichte?

Leistungsdichte ist eine physikalische Größe, die bezeichnet, wie viel Leistung in einem gegebenen Raum umgesetzt werden kann. Sie steht im Verhältnis zum umgebenden Volumen und wird in Watt pro Kubikmeter (W/m³) oder in Watt pro Kubikzoll (W/in³) angegeben. Diese Werte ergeben sich aus der Versorgungsleistung des Wandlers und der Gehäusegröße (Länge mal Breite mal Höhe) der Stromversorgung, einschließlich aller enthaltenen Komponenten (siehe Abbildung 2). Dabei ist es möglich, die Einheiten auf den entsprechenden Leistungspegel oder die entsprechende Größe zu skalieren. Kilowatt pro Liter ist z. B. eine häufig verwendete Gütezahl (FoM, en: „Form of Merit“) für bordeigene Batterieladegeräte in Elektrofahrzeugen, weil sie Strom in Kilowatt-Einheiten (zwischen 3 kW und 22 kW) bereitstellen.

Abbildung 2 Active-Clamp-Sperrwandler mit 65 Watt in den Maßen 65 × 28 × 25 mm.

Stromdichte ist eine recht sinnvolle Maßeinheit im Zusammenhang mit der Leistungsdichte und wird als Strom pro Volumeneinheit in Einheiten von Ampere pro Kubikzoll oder Ampere pro Kubikmillimeter angegeben. Dabei wird die Stromdichte anhand des Nennstrom des Wandlers (in der Regel der Eingangs- oder Ausgangsstrom) berechnet.

Stromdichte eignet sich zumeist besser als Gütezahl für Anwendungen mit Point-of-Load-Spannungsreglern. Die Größe dieser Konstruktionen erhöht sich proportional zum Ausgangsstrom; die Ausgangsspannung ist üblicherweise niedrig und liegt bei ca. 1 V. Der Wert für die Leistungsdichte kann durch Ansetzung eines unrealistisch hohen Werts für die Ausgangsspannung künstlich erhöht werden. Da in diesem Fall die Ausgangsspannung ganz aus der Gleichung entfernt wird, ist die Stromdichte für derartige Messungen besser geeignet.

Es gibt auch Fälle, in denen die volumetrische Dichte keine wesentliche Rolle spielt. Die Leistungselektronik einer Anwendung ist möglicherweise dann nicht größenabhängig, wenn andere Elemente des Designs noch viel größer sind. Stattdessen könnte der verfügbare Platz auf der Platine der limitierende Faktor sein. Um die Leistungsdichte in einem solchen Fall zu verbessern, müssen Möglichkeiten zum Stapeln oder zur dreidimensionalen Integration von Komponenten zur Reduzierung des Platzbedarfs der Stromversorgungslösung gefunden werden. Anschließend müssen die Messwerte für den Vergleich von Lösungen auf Watt pro Quadratmillimeter bzw. Ampere pro Quadratzoll geändert werden, um das wichtigste Entwicklungsziel zu veranschaulichen (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 Ein Point-of-Load-Wandler mit 10 A in der Größe von 13,1 × 10 mm ergibt eine Stromdichte von 76 mA/mm².

Je nach Anwendung kann die Leistungsdichte auf unterschiedliche Weise angegeben werden, das Ergebnis bleibt aber gleich: je kleiner die Lösung, desto höher die Leistungsdichte. Jetzt müssen wir uns die Frage stellen, was wir tun können, um die Leistungsdichte zu erhöhen.