Grundplattenkühlung in AC/DC-Wandlern: Die innovative lüfterlose Lösung

Lüfter verursachen zudem weitere Probleme: Sie haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 30.000 Stunden bei 50°C für Gleitlager und etwa doppelt so lange für die teureren Kugellagerausführungen. Bei höheren Temperaturen sinkt die erwartete Lebensdauer deutlich. Abbildung 2 zeigt eine typische Kurve der Lebenserwartung für eine Überlebensrate von 90% in einem Bestand von Kugellager-Lüftern.

Auch die mit zunehmendem Alter der Bauteile steigende Geräuschentwicklung kann problematisch sein. In bestimmten Anwendungen wie der Medizintechnik oder Rundfunkübertragung sind jegliche Hintergrundgeräusche unerwünscht. Lüfter führen außerdem zu Staub- und Schmutzbelastung innerhalb der Elektronik, sofern die Eingangsfilterung nicht sehr effektiv ist – in diesem Fall wird der Luftstrom jedoch ohnehin reduziert.

Teurere, temperaturgeregelte Lüfter mit variabler Drehzahl können diese Probleme teilweise abmildern. Dennoch erfordern Anwendungen mit Lüftern mindestens ein Konzept zur Leistungsüberwachung sowie den regelmäßigen Austausch von Filtern und des Lüfters selbst – inklusive aller damit verbundenen Kosten.

Eine Möglichkeit, mechanische Lüfter zu vermeiden, besteht darin, überdimensionierte Netzteile zu spezifizieren und diese bei reduzierter Leistungsaufnahme mit Konvektionskühlung zu betreiben. Produkte, die für Lüfterkühlung ausgelegt sind, zeigen jedoch bei fehlendem Luftstrom häufig eine deutliche Leistungsminderung.

Abbildung 3 zeigt ein typisches Beispiel: Für eine Nennleistung von 500W ist ein Luftstrom von 21CFM erforderlich, während bei natürlicher Konvektion lediglich maximal 125W zur Verfügung stehen.

Ein offensichtlicher Nachteil sind die zusätzlichen Kosten für einen überdimensionierten Wandler. Hinzu kommen weitere Aspekte: Ein auf nur 125W begrenzter Betrieb eines 500W-Wandlers erfolgt meist mit reduziertem Wirkungsgrad bei geringer Last.

Ein gutes Beispiel für eine Produktreihe, die dies erreicht, sind die neuen Wandler RACM230-G und RACM550-G von RECOM, bei deren Entwicklung besonderes Augenmerk auf die Minimierung des thermischen Widerstands zwischen kritischen Bauteilen wie den Leistungsschaltern und Transformatoren zur Grundplatte gelegt wurde.

Die resultierende Leistung des RACM550-G ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Baureihe erlaubt eine Dauerleistung von 300W bis zu 50°C. Das sind 50% mehr als im Beispiel aus Abbildung 3 – und mit 225W mehr als doppelt so viel Leistung bei 70°C Umgebungstemperatur. Darüber hinaus ist auch die Leistung bei Konvektionskühlung deutlich besser, da die thermisch eng gekoppelte Grundplatte eine effektive Oberfläche für die Wärmeabgabe in ruhender Luft bietet – im Gegensatz zu den lokal begrenzten Hotspots der Bauteile im Beispiel aus Abbildung 3.

Bei einigen Anwendungen kann es – abhängig vom Lastzyklus – Anforderungen an eine hohe Spitzenlast oder einen hohen Anlaufstrom geben, ebenso wie die Möglichkeit, kurzzeitig mehr Leistung bereitzustellen. Im Datenblatt des RACM550-G gibt RECOM eine hilfreiche Anleitung zur Berechnung der maximalen durchschnittlichen Ausgangsleistung anhand der Kühlbedingungen, Spitzenleistung und Einschaltdauer.

Eine Beispielrechnung zeigt, dass eine Last mit 550W Spitze und 81W Entlastungsphase sowie einer Einschaltdauer von 10 Sekunden Spitze und 40 Sekunden Erholung zu einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 245W führt – inklusive Sicherheitsmarge. Laut Abbildung 4 kann diese Leistung entweder mit natürlicher Konvektion bis zu 40°C Umgebungstemperatur oder mit Konduktionskühlung über die Grundplatte bis nahezu 65°C erreicht werden.

Der Wandler RACM230-G bietet eine Spitzenausgangsleistung von 230W in einem kompakten 4" × 2"-Gehäuse und kann auch eine Dauerleistung von 135W bei bis zu 50°C Umgebungstemperatur problemlos über die Grundplatte mit natürlicher Konvektion bereitstellen. Eine weitere wichtige Angabe ist die maximale Ausgangsleistung bei niedrigerer Eingangsspannung: Alle AC/DC-Module liefern bei 230VAC Netzspannung mehr Leistung als bei 115VAC, da sich die Eingangsstrombelastung bei doppelter Spannung halbiert. Die Modelle RACM230-G und RACM550-G sind Netzteile mit Universaleingang. Bei Fremdkühlung ist die Nennleistung unabhängig von der Eingangsspannung, solange diese nicht unter 110VAC fällt. Für den RACM230-G ergibt sich bei Konduktionskühlung über die Grundplatte kein Unterschied in der Nennleistung: Sie beträgt 160W sowohl bei 230VAC als auch bei 115VAC Eingangsspannung.