Was ist Leistungsdichte?

Leistungsdichte ist eine physikalische Gr??e, die bezeichnet, wie viel Leistung in einem gegebenen Raum umgesetzt werden kann. Sie steht im Verh?ltnis 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 Geh?usegr??e (L?nge mal Breite mal H?he) der Stromversorgung, einschlie?lich aller enthaltenen Komponenten (siehe Abbildung 2). Dabei ist es m?glich, die Einheiten auf den entsprechenden Leistungspegel oder die entsprechende Gr??e zu skalieren. Kilowatt pro Liter ist z. B. eine h?ufig verwendete Gütezahl (FoM, en: ?Form of Merit“) für bordeigene Batterieladeger?te in Elektrofahrzeugen, weil sie Strom in Kilowatt-Einheiten (zwischen 3 kW und 22 kW) bereitstellen.

Stromdichte ist eine recht sinnvolle Ma?einheit 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 Gr??e dieser Konstruktionen erh?ht 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 erh?ht werden. Da in diesem Fall die Ausgangsspannung ganz aus der Gleichung entfernt wird, ist die Stromdichte für derartige Messungen besser geeignet.

Es gibt auch F?lle, in denen die volumetrische Dichte keine wesentliche Rolle spielt. Die Leistungselektronik einer Anwendung ist m?glicherweise dann nicht gr??enabh?ngig, wenn andere Elemente des Designs noch viel gr??er sind. Stattdessen k?nnte der verfügbare Platz auf der Platine der limitierende Faktor sein. Um die Leistungsdichte in einem solchen Fall zu verbessern, müssen M?glichkeiten zum Stapeln oder zur dreidimensionalen Integration von Komponenten zur Reduzierung des Platzbedarfs der Stromversorgungsl?sung gefunden werden. Anschlie?end müssen die Messwerte für den Vergleich von L?sungen auf Watt pro Quadratmillimeter bzw. Ampere pro Quadratzoll ge?ndert werden, um das wichtigste Entwicklungsziel zu veranschaulichen (siehe Abbildung 3).

Je nach Anwendung kann die Leistungsdichte auf unterschiedliche Weise angegeben werden, das Ergebnis bleibt aber gleich: je kleiner die L?sung, desto h?her die Leistungsdichte. Jetzt müssen wir uns die Frage stellen, was wir tun k?nnen, um die Leistungsdichte zu erh?hen.