FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Kühlung ist überlebensnotwendig für Leistungselektronik, besonders wenn die Leistung auf immer kleinerem Raum entsteht.

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Aktive Kühlung Das beste Kühlkonzept für Leistungselektronik finden

01.10.2020

Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen ist im Wesentlichen von deren Wärmemanagement abhängig. Aufgrund der Miniaturisierung und der damit steigenden Verlustleistungsdichte gewinnt das thermische Management elektronischer Bauteile mehr und mehr an Bedeutung. Doch welches Kühlkonzept ist das beste für Ihre Anwendung?

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Elektronische Halbleiterbauelemente, wie Leistungshalbleiter und Prozessoren, reagieren bekanntermaßen sehr empfindlich auf zu hohe Betriebstemperaturen. Die Temperaturkontrolle der Elektronikbausteine in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturfenster ist zwingend erforderlich, um Fehlfunktionen der Bauteile oder einer gesamten Baugruppe, im Worst-Case-Szenario einen thermisch verursachten Totalschaden, zu vermeiden.

In den meisten elektrischen Anlagen beziehungsweise beim Einsatz von Elektronik werden die gewünschten Funktionen durch Steuerung des Stromflusses in den Bauelementen erreicht. Fließt der Strom durch ein Bauteil, so entsteht aufgrund der Ladungsbewegungen ein elektrischer Widerstand und somit Wärme. Nimmt der Strom zu, so wird mehr Wärme produziert, fließt der Strom permanent, so wird gleichfalls die Wärme andauernd erzeugt.

Um diesem Wärmeaufkommen entgegenzuwirken, muss ein effizienter Weg zur Wärmeabfuhr gefunden werden. Dieses ist allerdings angesichts steigender Leistungsdichten bei gleichzeitiger Bauteilgrößenreduzierung nicht immer ganz einfach und stellt die Anwender häufig vor das Problem, ein passendes Entwärmungskonzept auszuwählen. Grundsätzlich existieren hierfür verschiedenartige Systeme, welche gemäß physikalischen Wirkprinzipien anhand der natürlichen und erzwungenen Konvektion, aber auch mittels Flüssigkeiten funktionieren.

Berechnung des Wärmewiderstands

Die Auswahl eines für die Applikation passenden Entwärmungskonzepts sollte anhand verschiedener Parameter abgewogen und ausgewählt werden. Neben den thermischen Erfordernissen zur benötigten Wärmeabfuhr sollten gleichfalls auch besondere Anforderungen zum Verfügung stehenden Einbauraum und den damit verbunden Platzverhältnissen Berücksichtigung finden.

In der Praxis ermöglicht die überschlagsmäßige Berechnung des thermischen Widerstandes eine einfache und grobe Vorauswahl geeigneter Entwärmungslösungen. Der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) berechnet sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiltemperatur und der Applikationsumgebung sowie der maximalen abzuführenden Verlustleistung des elektronischen Bauteils gemäß Datenblatt.

Anhand des so berechneten Wertes besteht für den Anwender die Möglichkeit, in den Herstellerkatalogen für Entwärmungskomponenten eine grobe Vorauswahl zu treffen. Wichtiger ist allerdings für den Anwender anhand des errechneten Wärmewiderstands die Erkenntnis, ob er zur Lösung seines Wärmeproblems eine passive, eine aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten einsetzen muss.

Entwärmung per Luftströmung

Etliche kundenspezifische Entwärmungsaufgaben werden durch die bekannten Strangkühlkörper aus Aluminium gelöst. Strangkühlkörper, auch als Extrusionskühlkörper bezeichnet, sind in der Praxis die am häufigsten eingesetzte Methode zur Bauteilentwärmung und basieren auf dem Wirkprinzip der freien Konvektion.

Steigen allerdings die abzuführenden Verlustleistungen, so steigen gleichfalls die geometrischen Abmessungen sowie das Gewicht des notwendigen Kühlkörpers. Ab einem gewissen Punkt, welcher durch die thermischen Randbedingungen hervorgerufen wird, treten allerdings die Strangkühlkörper und das damit verbundene Wirkprinzip an die Leistungsgrenze des machbaren. Sicherlich könnte nun in diesem Fall einfach ein Kühlkörper mit einem Lüftermotor versehen werden, was sicherlich die Wärmeableitleistung je nach Luftgeschwindigkeit und Luftvolumen steigert, letztendlich aber nur ein Behelf darstellt, da die zur Verfügung stehende Luftmenge nicht gerichtet ist und somit nur eine geringe Oberfläche als effektive Wärmetauschfläche zur Verfügung steht.

Für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen, bei denen die freie Konvektion nicht ausreicht und die geometrischen Abmessungen oder das Gewicht eines Kühlkörpers unpassend für die jeweilige Applikation erscheinen, ist der Einsatz einer erzwungenen Konvektion mittels Lüftermotoren oftmals erforderlich und notwendig.

Sogenannte Lüfteraggregate sind in der Leistungselektronik erprobt und liefern sehr effiziente Entwärmungslösungen auf Basis der erzwungenen Konvektion. Grundsätzlich wird bei allen Lüfteraggregaten eine durch Lüftermotoren erzeugte starke Luftströmung durch eine Wärmetauschstruktur in gerichteter Form geleitet.

Miniaturlüfteraggregate

Die eingesetzten Lüftermotoren sind jeweils auf das Basisprofil und dessen geometrischen Aufbau der Wärmetauschflächen in puncto Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und -volumen, abgestimmt und dadurch sehr wirkungsvoll. Die Produktgruppe der Lüfteraggregate beinhaltet neben Segment-, Kühlkörper-, Hohlrippen- und Hochleistungslüfteraggregaten die erwähnenswerten Miniaturlüfteraggregate. Diese werden per Strangpressverfahren hergestellt und bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen.

Der umlaufende Basisrahmen dient als Halbleitermontagefläche, worüber die Verlustwärme des Bauteils aufgenommen und diese an die innen liegende Kühlrippenstruktur beziehungsweise an die innere Luft der Kammerstruktur abgeleitet wird. Der verwendete axiale Lüftermotor saugt die kältere Luft aus der Umgebung an und drückt diese in Richtung der innenliegenden Rippen durch die Kanalstruktur.

Nach diesem Wirkprinzip ist in Summe eine deutlich größere Wärmemenge auf kleinstem Raum an die Umgebung abzuführen. Der kompakte Aufbau von Miniaturlüfteraggregaten ermöglicht ebenfalls eine direkte Montage beziehungsweise Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte. Eine schnelle und sichere Montage der Halbleiter erfolgt mittels eingebrachter Befestigungsgewinde oder einem speziellen Nutsystem mit dazugehörigen Einrasttransistorhaltefedern.

Hohlrippenlüfteraggregate

Für weitere Performancesteigerungen der Wärmeabfuhr größerer Wärmemengen sind die noch effizienteren Hohlrippenlüfteraggregate zu nennen. Diese besitzen ein- oder doppelseitige optimal angepasste Halbleitermontageflächen, welche für eine gute Wärmespreizung innerhalb des Grundaufbaus sorgen, aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten dienen.

Der Grundaufbau wird durch ein stranggepresstes U-förmiges Basisprofil gebildet, welches auf der Innenseite eine spezielle ausgeformte Einpressgeometrie beinhaltet. In diese Geometrie werden zur Erzeugung einer Kanalstruktur besondere Hohlrippen aus Aluminium mithilfe von speziellen Werkzeugen, formschlüssig, mechanisch und wärmeleitend eingepresst.

Die Hohlrippen sind aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten mit einer glatten oder gewellten Oberflächenstruktur erhältlich. Die gewellten, kannelierten Hohlrippen bewirken allerdings eine bessere Wirkungsgradverbesserung, da im Luftkanal des Aggregates eine mehr turbulente Luftströmung beziehungsweise Luftverwirbelung erzielt wird. Hierdurch ist ein deutlich besserer Wärmeübergang von den einzelnen Rippen zur vorbeiströmenden Luft gegeben. In Summe liefern Hohlrippenlüfteraggregate mit ihren unterschiedlichen Features eine sehr gute thermische Performance.

Lamellenlüfteraggregate

Hochleistungslamellenlüfteraggregate bilden eine weitere Untergruppe der Lüfteraggregate und zeichnen sich durch ihre kompakte und sehr wirkungsvolle Wärmetauschstruktur als Besonderheit aus. Zusammengesetzte Einzelteile aus Aluminium, welche einen geschlossenen Tubus formen, bilden den mechanischen Aufbau der Lamellenaggregate. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten werden mit einer wabenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke werden zu Montageplatten zusammengefügt.

Die so entstandene Gesamtkonstruktion wird nun in einem weiteren speziellen Arbeitsschritt hartgelötet und ist somit mechanisch, als auch wärmetechnisch bestens miteinander verbunden. Innerhalb des Gesamtsystems wird die Verlustwärme über die Montageplatten aufgenommen und über die einzelnen Zwischenstege an die innenliegende Wabenstruktur weitergeleitet sowie letztendlich an die durchströmende Luft abgegeben. Hochleistungslamellenlüfteraggregate besitzen aufgrund deren Herstellungsverfahren eine deutlich dichtere und damit größere Wärmetauschfläche, was oft in Verbindung mit Diagonallüftermotoren zu einer Performancesteigerung gegenüber anderen aktiven Systemen führt.

Segmentlüfteraggregate

Eine weitere Besonderheit aus dem Bereich der Lüfteraggregate ist durch die sogenannten Segmentlüfteraggregate gegeben. Bei diesem Aggregataufbau werden sowohl geviertelte Kreissegmente (Strangpressprofile) als auch abschnittsweise Längselemente mit innenliegenden Rippen so zusammengebaut, dass die vom angeschraubten Lüftermotor erzeugte Luftströmung gerichtet durch diesen Rippentunnel führt.

Die eigentliche Bauteilmontage erfolgt auf den jeweiligen Abschnittssegmenten, die in ihrer Länge variabel, je nach Bauteilgröße und Kundenwunsch, angepasst werden können. Darüber hinaus sind die einzelnen zusammengestellten Abschnitte voneinander elektrisch und thermisch zu isolieren. Die mechanische Stabilität der zusammengesetzten Einzelsegmente erfolgt durch zwei Endplatten, welche gleichfalls eine dedizierte Befestigung der Lüftermotoren ermöglichen, die über isolierte Gewindestangen miteinander gehalten und gespannt werden.

Bildergalerie

  • Kompakte Miniaturlüfteraggregate ermöglichen eine leistungsstarke Entwärmung auf kleinem Einbauraum und eignen sich ebenfalls für den Verbau auf Leiterkarten.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Effiziente Hohlrippenlüfteraggregate sind überaus sinnvoll, wenn es darum geht, größere Wärmemengen an die Umgebung abzuleiten.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Gelötete Hochleistungslamellenlüfteraggregate liefern aufgrund ihrer Herstellungsweise eine kompakte Bauweise und dichte Wärmetauschstruktur in Wabenform.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Über einzelne Kühlsegmentabschnitte können elektronische Halbleiter voneinander thermisch als auch elektrisch isoliert werden.

    Bild: Fischer Elektronik

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