Fortschritte in der Materialwissenschaft verbessern das Design und die Leistung von Stromversorgungen

Nahaufnahme einer gedruckten Computerhauptplatine
Es ist kein Geheimnis, dass das Streben nach höherer Energieeffizienz bei Stromversorgungen die Leistung auf breiter Front verbessert. Fortschritte in der Materialwissenschaft spielen eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Stromversorgungen und ermöglichen die Entwicklung effizienterer, kompakterer und zuverlässigerer Lösungen. Im Folgenden finden Sie einige der neuen Materialien, die das Design von Stromversorgungen beeinflussen.

Wide Bandgap-Halbleiter (SiC und GaN)

Die ersten neuen Materialien, die wir hier erwähnen sollten, sind natürlich Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), zwei Wide Bandgap-Halbleiter, die Silizium in zahlreichen Leistungsanwendungen zunehmend ersetzen. SiC- und GaN-Leistungsbauelemente arbeiten bei höheren Temperaturen und Frequenzen als herkömmliche Siliziumkomponenten und ermöglichen dadurch eine effizientere Leistungsumwandlung in bestehenden Designs sowie neue Topologien, die mit Silizium-Bauelementen nicht realisierbar wären.

Stromversorgungen, die diese Materialien nutzen, können kompakter und leichter sein und bieten eine bessere Gesamtleistung. SiC-Bauteile gewinnen an Bedeutung in hocheffizienten rackmontierten Stromversorgungen für Rechenzentren, während GaN bevorzugt für niedrigere Leistungsbereiche wie Laptop- und Handy-Ladegeräte eingesetzt wird. Es wird erwartet, dass SiC und GaN in mittleren Leistungsanwendungen zunehmend konkurrieren, da sich ihre Leistungsgrenzen weiterentwickeln.

Magnetische Materialien

Magnetfelder werden in Schaltnetzteilen genutzt, um Spannungspegel zu ändern, Energie zu speichern und eine galvanische Trennung zu ermöglichen. Neue weichmagnetische Materialien mit verbesserten Eigenschaften wie hoher Sättigungsflussdichte und geringen Kernverlusten steigern die Effizienz von Transformatoren und Induktivitäten in Stromversorgungen. Diese Materialien tragen zu geringeren Energieverlusten und einer höheren Leistungsdichte bei.

Nanokristalline Legierungen werden für Magnetkerne verwendet und bieten hervorragende magnetische Eigenschaften sowie reduzierte Kernverluste. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für Hochfrequenzanwendungen in Stromversorgungen.

Dielektrische Materialien

Neue dielektrische Materialien verbessern die Leistung von Kondensatoren in Stromversorgungen, indem sie die Energiespeicherungerhöhen, Verluste reduzieren, die Effizienz steigern und eine zuverlässige Funktion unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglichen. Diese Materialien halten höheren Spannungen und Frequenzen stand und tragen somit zu einer höheren Leistungsdichte und Langlebigkeit bei.

Fortschritte bei Polymerkondensatoren, wie z. B. leitfähige Polymere, haben zu Kondensatoren mit verbesserter Leitfähigkeit, niedrigerem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und längerer Lebensdauer geführt. Aufgrund dieser Vorteile werden Polymerkondensatoren zunehmend in Stromversorgungsanwendungen eingesetzt.

Isolierende Materialien

Diese Materialien spielen eine zentrale Rolle in den Isolationssystemen von Transformatoren, Kondensatoren und anderen Komponenten. Verbesserungen in diesem Bereich verringern Verluste, erhöhen die Zuverlässigkeit und ermöglichen kompaktere sowie effizientere Designs durch eine verbesserte Wärmeleistung.

Hochleistungs-Keramikisolatoren wie Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si3N4) bieten hervorragende Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolationseigenschaften und sind daher ideal für moderne Stromversorgungen.

Leitfähige Materialien

Die Verwendung von Metallen und Legierungen mit hoher Leitfähigkeit, einschließlich Kupfer- und Aluminiumlegierungen mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit, trägt zur Verringerung von Widerstandsverlusten in Stromversorgungskomponenten wie Leitern und Steckverbindern bei.

Flexible, dehnbare Materialien

Die Entwicklung flexibler Substrate und dehnbarer Materialien ermöglicht die Gestaltung anpassungsfähiger Stromversorgungen. Diese Materialien eignen sich für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot und unkonventionellen Formfaktoren.

3D-Druckmaterialien

3D-Drucktechnologien erlauben den Einsatz unterschiedlichster Materialien in der Stromversorgungsfertigung. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer, kundenspezifischer Komponenten und verbessert die Designflexibilität sowie die Prototypenentwicklung.

Wärmeleitfähige Materialien

Die effektive Ableitung von Wärme ist essenziell für die Zuverlässigkeit, Effizienz und Lebensdauer elektronischer Bauteile in einer Stromversorgung. Wärmeleitfähige Materialien, darunter thermische Klebstoffe, Pads, Pasten und Dichtungen, werden zwischen wärmeerzeugenden Bauteilen wie Leistungstransistoren und wärmeableitenden Komponenten wie Kühlkörpern eingesetzt, um eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten. Neue wärmeleitfähige Gele mit hoher Wärmeleitfähigkeit und verbessertem Wärmewiderstand tragen zur Optimierung des Wärmemanagements bei und erhöhen die Gesamtzuverlässigkeit und Leistung.

Graphen und Kohlenstoffnanoröhren werden als zukünftige Lösungen für das Wärmemanagement in Hochleistungs-Stromversorgungen erforscht, da sie eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit bieten.

Umweltfreundliche Materialien

Nachhaltigkeit gewinnt zunehmend an Bedeutung, was die Nutzung umweltfreundlicher Materialien in Stromversorgungsdesigns vorantreibt. Dies umfasst Materialien mit geringer Umweltbelastung, recycelbare Komponenten und die Einhaltung der RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances).

Nanomaterialien

Nanomaterialien wie Nanokomposite werden aufgrund ihrer einzigartigen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften erforscht. Die Integration von Nanomaterialien in Stromversorgungen verbessert Leistung und Effizienz.

Gedruckte Elektronik

Im Bereich flexibler und gedruckter Elektronik werden neue leitfähige Drucktinten entwickelt. Diese ermöglichen die Herstellung gedruckter Schaltungen und Komponenten und eröffnen neue Möglichkeiten für das Design und die Fertigung von Stromversorgungen.

RECOM nutzt Fortschritte in der Materialwissenschaft

RECOM-Produkte profitieren von diesen Fortschritten, da sie unsere strengen Qualitätsstandards erfüllen und in die Serienproduktion einfließen. Viele dieser Verbesserungen sind für den Kunden möglicherweise nicht direkt sichtbar, äußern sich jedoch in höherer Effizienz, erweiterten Temperaturbereichen und erhöhter Zuverlässigkeit.

Die neue RKK-Serie ist ein Upgrade der beliebten RKE/RFMM-Serie, ein ungeregelter, isolierter 1W SIP-7 DC/DC-Wandler. Der RKK bietet eine verbesserte Magnetik mit einem Planartransformator , geringere elektromagnetische Störungen (EMI), einen Betrieb bis 105°C ohne Derating, eine längere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad selbst bei geringer Last. Eine weitere neue Serie, RYK, verfügt über einen vollständig linear geregelten Ausgang mit ähnlichen Verbesserungen.

Fazit

Forschung und Innovationen in der Materialwissenschaft prägen die Zukunft der Stromversorgungstechnologien. Fortschritte in Halbleitermaterialien, Dielektrika, Isolatoren und nachhaltigen Materialien treiben die Entwicklung effizienter, zuverlässiger und kompakter Stromversorgungen voran.

Die Entwickler von RECOM evaluieren fortlaufend neue Komponenten mit innovativen Materialien und integrieren sie, wenn sie die Leistung unserer Produkte verbessern.
  Serie
1 DC/DC, 1 W, Single Output, THT RKK Series
Fokus
  • Low cost
  • 1:1 Input voltage range
  • Efficiency up to 82%
  • 4kVDC/1 second isolation
2 DC/DC, 1 W, Single Output, THT RYK Series
Fokus
  • Low cost
  • 1:1 Input voltage range
  • Efficiency up to 81%
  • 4kVDC/1 second isolation