Leistungsdichte vs. Volumendichte: Wo liegt der Unterschied?
Stromversorgungslösungen sind dafür bekannt, dass sie oft das Zünglein an der Waage sind, denn sie bestimmen die Größe des Gesamtsystems, den volumetrischen Wirkungsgrad, die Materialkosten und die erreichbare Leistungsdichte. Im Allgemeinen werden diese Faktoren in die üblichen Leistungskennzahlen (FOM) eines Systems unterteilt, wie zum Beispiel Größe, Gewicht und Leistung, also die bekannten SWaP-Faktoren. In Kombination mit einer Kostenkennzahl wird dies als SWaP-C-Faktor bezeichnet [1]. Die Leistungsdichte ist in der Regel eine Funktion der verfügbaren Gesamtleistung im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Lösung, weshalb die Größe der Komponenten meist eine umgekehrte Beziehung zur Leistungsdichte aufweist. Die Leistungsdichte gewinnt zusätzlich an Bedeutung, wenn sie mit der Gesamtmasse der Lösung kombiniert wird, die insbesondere bei nicht gebundenen Anwendungen ein kritischer Faktor sein kann.
Es ist zudem wichtig, die Leistungsdichte klar von der volumetrischen Dichte zu unterscheiden. Die Leistungsdichte lässt sich speziell im Zusammenhang mit der Energielösung charakterisieren, die nur eine Teilmenge des gesamten Systemvolumens darstellt. Im Allgemeinen steigt die Leistungsdichte, während die volumetrische Dichte abnehmen kann, wenn große Systemlasten in ihrer Größe oder ihrem Energiebedarf schrumpfen und gleichzeitig ihre Funktionalität erhöhen, um von Generation zu Generation mehr Arbeit im gleichen Volumen zu leisten. Dadurch entsteht ein anderer Trend als bei den eigentlichen Energielösungen. Die Industrie hat versucht, diese Diskrepanzen mit vereinfachten Kennzahlen wie Dollar pro Watt ($/W) zu normalisieren, was jedoch wenig sinnvoll ist, sofern nicht sehr ähnliche Stromversorgungslösungen miteinander verglichen werden.
Wie bei jedem Aspekt der Bewertung von Energielösungen und der Beurteilung ihrer technischen Auswirkungen und finanziellen Beiträge ist es entscheidend, über eine reine Analyse erster Ordnung hinauszugehen. Stromverbrauch und Energieeffizienz sind häufig ein Spiel, bei dem die Optimierung in einem Teilsystem zu einer geringeren Leistung in einem anderen Bereich führen kann. Dadurch können die effektiven Auswirkungen auf Systemebene gleich bleiben oder sich sogar verschlechtern. Ein klassisches Beispiel ist, wenn die erhöhte Leistungsdichte eines Leistungsschalters mit breiter Bandlücke, etwa Galliumnitrid oder Siliziumkarbid, einen physisch kleineren Stromversorgungsstrang ermöglicht, selbst bei erhöhter Leistung, da die höheren Schaltfrequenzen die Reduzierung bestimmter Leistungskomponenten erlauben.
Dies kann jedoch auch dazu führen, dass eine größere (und möglicherweise kostspieligere) Lösung zur Wärmeregulierung erforderlich ist, um die dichtere Verlustleistung in kleineren Geometrien zu bewältigen, oder dass ein System sogar eine Flüssigkeitskühlung benötigt. Oft sind es die kleinen Zusatzfunktionen, die zwar nice-to-have sind, aber einen unverhältnismäßigen Einfluss auf die Größe und/oder die Kosten der Lösung haben können. So können beispielsweise Steckverbinder (insbesondere Blindkupplungen) und Lüfter in einer SWaP-C-Analyse einen erheblichen Beitrag zu allen FOMs leisten, da sie viel Volumen einnehmen und elektromechanische Komponenten häufig die Engpässe für die Maximierung von Systemqualität und Zuverlässigkeit darstellen.
Stromversorgungslösungen skalieren nicht mit denselben Raten, wie wir sie bei Elementen auf der Lastseite sehen, wie zum Beispiel denjenigen, die durch das Mooresche Gesetz und mikroelektromechanische Systemgeräte angetrieben werden. Das bedeutet, dass die Systemroadmaps keine exponentielle Verkleinerung der Stromversorgungslösung (oder umgekehrt eine exponentielle Erhöhung der Leistungsdichte) vorsehen können, nur weil sich die Prozessknoten fast jedes Jahr verbessern. Dennoch kann eine Stromversorgungslösung dazu beitragen, das Tempo der verbesserten Lastgröße und Leistung beizubehalten, indem sie die steigenden Anforderungen der Lasten auf ihre eigene Weise erfüllt [2].
Es ist zudem wichtig, die Leistungsdichte klar von der volumetrischen Dichte zu unterscheiden. Die Leistungsdichte lässt sich speziell im Zusammenhang mit der Energielösung charakterisieren, die nur eine Teilmenge des gesamten Systemvolumens darstellt. Im Allgemeinen steigt die Leistungsdichte, während die volumetrische Dichte abnehmen kann, wenn große Systemlasten in ihrer Größe oder ihrem Energiebedarf schrumpfen und gleichzeitig ihre Funktionalität erhöhen, um von Generation zu Generation mehr Arbeit im gleichen Volumen zu leisten. Dadurch entsteht ein anderer Trend als bei den eigentlichen Energielösungen. Die Industrie hat versucht, diese Diskrepanzen mit vereinfachten Kennzahlen wie Dollar pro Watt ($/W) zu normalisieren, was jedoch wenig sinnvoll ist, sofern nicht sehr ähnliche Stromversorgungslösungen miteinander verglichen werden.
Wie bei jedem Aspekt der Bewertung von Energielösungen und der Beurteilung ihrer technischen Auswirkungen und finanziellen Beiträge ist es entscheidend, über eine reine Analyse erster Ordnung hinauszugehen. Stromverbrauch und Energieeffizienz sind häufig ein Spiel, bei dem die Optimierung in einem Teilsystem zu einer geringeren Leistung in einem anderen Bereich führen kann. Dadurch können die effektiven Auswirkungen auf Systemebene gleich bleiben oder sich sogar verschlechtern. Ein klassisches Beispiel ist, wenn die erhöhte Leistungsdichte eines Leistungsschalters mit breiter Bandlücke, etwa Galliumnitrid oder Siliziumkarbid, einen physisch kleineren Stromversorgungsstrang ermöglicht, selbst bei erhöhter Leistung, da die höheren Schaltfrequenzen die Reduzierung bestimmter Leistungskomponenten erlauben.
Dies kann jedoch auch dazu führen, dass eine größere (und möglicherweise kostspieligere) Lösung zur Wärmeregulierung erforderlich ist, um die dichtere Verlustleistung in kleineren Geometrien zu bewältigen, oder dass ein System sogar eine Flüssigkeitskühlung benötigt. Oft sind es die kleinen Zusatzfunktionen, die zwar nice-to-have sind, aber einen unverhältnismäßigen Einfluss auf die Größe und/oder die Kosten der Lösung haben können. So können beispielsweise Steckverbinder (insbesondere Blindkupplungen) und Lüfter in einer SWaP-C-Analyse einen erheblichen Beitrag zu allen FOMs leisten, da sie viel Volumen einnehmen und elektromechanische Komponenten häufig die Engpässe für die Maximierung von Systemqualität und Zuverlässigkeit darstellen.
Stromversorgungslösungen skalieren nicht mit denselben Raten, wie wir sie bei Elementen auf der Lastseite sehen, wie zum Beispiel denjenigen, die durch das Mooresche Gesetz und mikroelektromechanische Systemgeräte angetrieben werden. Das bedeutet, dass die Systemroadmaps keine exponentielle Verkleinerung der Stromversorgungslösung (oder umgekehrt eine exponentielle Erhöhung der Leistungsdichte) vorsehen können, nur weil sich die Prozessknoten fast jedes Jahr verbessern. Dennoch kann eine Stromversorgungslösung dazu beitragen, das Tempo der verbesserten Lastgröße und Leistung beizubehalten, indem sie die steigenden Anforderungen der Lasten auf ihre eigene Weise erfüllt [2].
