Kühllösungen in der Leistungselektronik können aufgrund der hohen Verlustwärme sehr komplex ausfallen. Für eine effiziente Wärmeabfuhr reichen herkömmliche Strangkühlkörper oft nicht mehr aus. Hierfür bietet der Markt spezielle sogenannte Hochleistungskühlkörper.

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Von klassischen Strangkühlkörpern bis zu komplexen Skived Kühlkörpern Die richtige Kühlkörperlösung für jede Leistungselektronik-Anwendung

25.04.2022

Die Entwärmung von elektronischen Komponenten, gerade im Bereich der Leistungselektronik, bedarf eines effizienten thermischen Managements, um die Vorzüge und die Lebensdauer der verwendeten Bauteile langfristig zu gewährleisten. Individuelle Kühlkörperlösungen, welche problemlos an die Applikation anzupassen sind, werden hierbei mehr denn je gefragt und vom Anwender gefordert.

Gemäß Literatur wird die Entstehung der Leistungselektronik mit der Entwicklung des ersten Gleichrichters im 19. Jahrhundert in Verbindung gebracht. Gleichrichter werden im Wesentlichen bei der Umformung von Gleichstrom zu Wechselstrom eingesetzt und übernehmen kurz gesagt in elektronischen Geräten und Energie technischen Anlagen eine Stromversorgungsfunktion. Auf den Punkt gebracht wird unter dem Begriff Leistungselektronik alles das verstanden, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Die Spanne der umzuformenden Ströme und Spannungen reicht hierbei von einigen Milliampere und wenigen Volt, bis hin zu einigen Kiloampere und -volt. Im Mittelpunkt stehen letztendlich für den Anwender bei jeder Art der Umformung immer der zu erreichende Wirkungsgrad und die damit verbundene Effizienz des elektronischen Bauteils.

Komplexe wärmetechnische Aufgaben sind oftmals in vielen Applikation aufgrund der hohen Leistungsdichten heutiger Leistungshalbleiter gegeben und zu lösen. Gleichfalls wie bei allen elektronischen Bauteilen, wird auch beziehungsweise gerade bei Leistungshalbleitern nicht die gesamte zugeführte Energie zu hundert Prozent in Leistung konvertiert, sondern ebenfalls aufgrund der Verluste ein gewisser Anteil direkt in Verlustwärme umgewandelt. Die hierdurch entstehende Wärme ist auf Dauer ungesund für das Bauteil und beeinflusst dessen Lebensdauer signifikant. Die oberste Priorität gilt somit einem effizienten Wärmemanagement, um den Temperaturstress des Bauteils zu kontrollieren und in Summe die Bauteillebensdauer zu erhalten, bestenfalls zu verlängern. Zur Vermeidung von Fehlfunktionen oder gar Zerstörung einer kompletten Funktionsbaugruppe, bietet Fischer Elektronik effiziente Entwärmungskonzepte auf Basis unterschiedlicher physikalischer Wirkprinzipien.

Vielzählige Lösungsmöglichkeiten

Entwärmungsaufgaben in der Leistungselektronik, können mitunter wie bereits erwähnt, aufgrund der auftretenden hohen Verlustwärme recht komplex ausfallen. Für eine sichere Wärmeabfuhr reichen klassische Strangkühlkörper aufgrund der maximal abzuführenden Verlustleistung und der Bauteilgrößenverhältnisse nicht mehr aus. Hierfür stehen im speziellen sogenannte Hochleistungskühlkörper, welche passiv oder aktiv betrieben werden können, zur Auswahl. Hochleistungskühlkörper stellen großvolumige Kühlkörperlösungen dar, sind darüber hinaus die leistungsstärksten Ausführungen unter der Rubrik Kühlkörper und sind auf unterschiedliche Weise herzustellen. Seitens der Anwender werden diese Ausführungen gerne für eine passive und somit geräuschlose Entwärmung von Leistungshalbleitern effizient eingesetzt.

Reicht eine passive Entwärmung mittels der genannten Hochleistungskühlkörper nicht aus oder können diese aufgrund ihrer voluminösen Abmessungen nicht in die Applikation integriert werden, so sind weitere Leistungssteigerungen durch das Element Luft zu erzielen. Bei der Verwendung von zusätzlichen Luftströmungen oder Lüftermotoren spricht man von einer forcierten (erzwungenen) Konvektion. Für solche Anwendungsfälle und Entwärmungsaufgaben stehen kompakte und sehr effiziente Lüfteraggregate zur Verfügung. Diese bestehen meistens aus einem geschlossenem Basisprofil in dessen inneren sich ein Rippenkanal als Wärmetauschstruktur befindet.

Die besagten Lüftermotoren sind diesen Profilen stirnseitig vorgeschaltet und befördern die erzeugte Luftströmung in gerichteter Form durch den Rippenkanal. Der Wärmeeintrag erfolgt über die auf den Montageflächen des Lüfteraggregates montierten Leistungshalbleiter in das Basisprofil und von da aus weiter in die innenliegende Rippenstruktur. Die Rippenstruktur nimmt die entstehende Verlustwärme auf und leitet diese an die vorbeiströmende Luft ab. Die genannte Rippenstruktur beziehungsweise Wärmetauschfläche der verschiedenartigen Lüfteraggregate, ist optimal auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit sowie -volumen, abgestimmt.

Effiziente Lüfteraggregate mit ihren unterschiedlichen Aufbauten liefern im Bereich der Leistungselektronik sehr gute Lösungsansätze zur Bauteilentwärmung und sind bereits für viele Applikationen als eine erprobte und kostengünstige Technik anzusehen.

Das leisten Flüssigkeitskühlkörper

Weitere Performancesteigerungen in puncto abzuführender Verlustwärme im Bereich der Leistungselektronik sind durch sehr leistungsstarke Flüssigkeitskühlkörper gegeben. Diese Art der Wärmeabfuhr ist gegenüber den zuvor genannten Möglichkeiten deutlich hervorzuheben. Alleine die Kühlwirkung des Wassers in Verbindung mit effizienten Flüssigkeitskühlkörpern ist sowohl physikalisch als auch wärmetechnisch sehr leistungsfähig. Untermauert wird diese Tatsache alleine durch die Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums Wasser, welche mit einem Wert von 4,182 kJ/kg x K gegenüber der Luft um ein 4-faches größer ist. Verschiedenartige Flüssigkeitskühlkörper aus dem Hause Fischer Elektronik werden als Standard mit einer I- oder U-durchströmten Wärmetauschstruktur auf dem Markt angeboten und sind darüber hinaus ebenfalls als Sonderlösung passend zur jeweiligen Applikation modifizierbar. Die komplett aus Aluminium gefertigten Flüssigkeitskühlkörper besitzen eine interne dreidimensionale und zueinander versetzte Lamellenstruktur als Wärmetauschfläche, wodurch ein homogener Wasserdurchfluss über die gesamte Fläche des Flüssigkeitskühlkörpers gegeben ist. Die bereits angesprochene Wärmetauschfläche, welche in dieser Form eine Besonderheit darstellt, ist jeweils wärmetechnisch optimal an den Flüssigkeitskühlkörpertyp angepasst sowie wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte fest angebunden. Hierdurch wird wärmetechnisch ein sehr guter Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauelement in die durchströmende Flüssigkeit erzielt.

Kühlkörper für individuelle Applikationen

Gleichfalls, wie auch klassische Strangkühlkörper, bringen die erwähnten Hochleistungskühlkörper aufgrund ihrer Herstellungsart, neben Toleranzen, unter anderem einige Restriktionen in der Gestaltungsform mit sich. Im Besonderen ist hierbei das zu erzielende Rippen- oder Zungenverhältnis zu nennen, welches bei der Produktion solcher Kühlkörper erhebliche Probleme verursacht. Grundsätzlich gilt gemäß physikalischer Wirkungsweisen, dass der Wärmeübergang von einem festen Körper zu einem umgebenden Fluid umso besser ist, desto größer die wärmeübertragende Oberfläche ausgeprägt wird.

Kurz gesagt wird aufgrund dessen beim Kühlkörperdesign stets versucht eine maximale Rippendichte (-anzahl) zu erzielen, um somit eine möglichst große Wärmetauschfläche zu erreichen. Engmaschige Kühlkörperprofile obliegen allerdings bei der Werkzeugerstellung sowie in der Produktion oftmals etlichen Besonderheiten, sind aufgrund dessen nicht immer stabil und reproduzierbar herzustellen.

Herkömmliche Lamellenkühlkörper im Detail

Die Anforderung an Kühlkörperprofilen mit einer engen und vielzähligen Rippenoberfläche, wird sehr gut durch die sogenannten Lamellenkühlkörper abgedeckt und umgesetzt. Lamellenkühlkörper sind hauptsächlich für den Einsatz bei forcierter Konvektion gedacht und entwickelt, können individuell nach Kundenvorgaben angepasst sowie produziert werden und bieten für die Entwärmung von Leistungshalbleitern effektvolle Lösungsansätze. Lamellenkühlkörper, auch als Bonded Fin Kühlkörper bezeichnet, ermöglichen eine engmaschige Rippenstruktur und sind besonders bei der Verwendung einer aktiven Entwärmung mit Hilfe von zusätzlichen Lüftermotoren oder Luftströmungen einzusetzen.

Genutete Basisplatten der Lamellenkühlkörper dienen als Bodenseite und Halbleitermontagefläche für elektronische Bauteile. Diese Bodenplatten bestehen entweder aus einem stranggepressten Profil oder aus einem hochwärmeleitenden Aluminiummaterial, welches zusätzlich mit einer Nutgeometrie versehen wird. Beim folgenden Arbeitsschritt werden die jeweiligen Aluminiumlamellen (Rippen) in die Nuten der Basisplatten eingepresst und zusätzlich zur Vermeidung von Lufteinschlüssen mit einem speziellen Wärmeleitkleber aufgefüllt.

Dieses spezielle Herstellungsverfahren gewährleistet eine optimale wärmetechnische Anbindung der Rippenstruktur an die Bodenplatte des Lamellenkühlkörpers. Lamellenkühlkörper können aufgrund ihrer Gestaltungsfreiheiten individuell an die Kundenapplikation adaptiert werden und ermöglichen gleichfalls Ausführungen mit einer einseitigen oder doppelseitigen Halbleitermontagefläche. Eine andere Fertigungsart ermöglicht ebenfalls die Herstellung von engmaschigen und individuellen Kühlkörperprofilen.

Lamellenkühlkörper der Artikelserie KGR werden aus einem hochwärmeleitenden Aluminiumvollmaterial hergestellt und bestehen aus einem Stück. Hierdurch wird nochmals aus wärmetechnischer Sicht der Wärmeübergangswiderstand von der Kühlkörperbasisplatte in die einzelnen Rippen deutlich verbessert, da beide Teile aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt und direkt miteinander verbunden sind.

Geschälte Lamellenkühlkörper

Als dritte Herstellungsart von Lamellenkühlkörpern und absolut neu im Hause Fischer Elektronik, sind die geschälten Lamellenkühlkörper der Artikelserie KSK zu nennen. Im englischen wird dieses Schälverfahren als Skiving bezeichnet, womit sehr kompakte Lamellenkühlkörper für die forcierte Entwärmung im Bereich der Leistungselektronik herzustellen sind.

Bei dieser speziellen Fertigungstechnik werden die einzelnen Rippen aus einem Aluminium- oder Kupferblock herausgeschält, wodurch extrem feine Rippen in Kombination mit einer sehr hohen Rippendichte eine äußerst große und kompakte Wärmetauschfläche ergeben. Die so entstehende Rippenstruktur ist übergangslos, ohne zusätzliche thermische Übergangswiderstände, mit der Kühlkörperbodenplatte verbunden.

Skivingkühlkörper sind ebenfalls an kundenspezifische Anforderungen und Einbaubedingungen in der Applikation individuell anzupassen, eignen sich hervorragend zur Entwärmung von thermoelektrischen und ähnlichen Leistungsmodulen. Auch aus wirtschaftlicher Betrachtungsweise sind Skiving Kühlkörper sehr interessant und attraktiv, da mitunter Kleinserien aufgrund der geringen Werkzeugkosten günstig umzusetzen sind. Weitere Pluspunkte sind für den Anwender durch die große Designflexibilität und ein schnelles Prototyping gegeben.

Bildergalerie

  • Hochleistungskühlkörper für die freie und forcierte Konvektion entwärmen Leistungshalbleiter sinnvoll und sehr effektiv.

    Hochleistungskühlkörper für die freie und forcierte Konvektion entwärmen Leistungshalbleiter sinnvoll und sehr effektiv.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Bonded Fin Kühlkörper sind aufgrund verschiedener Herstellungsverfahren individuell an die Kundenapplikation anpassbar.

    Bonded Fin Kühlkörper sind aufgrund verschiedener Herstellungsverfahren individuell an die Kundenapplikation anpassbar.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Lamellenkühlkörper der Serie KGR bestehen aus einem Stück und haben keine zusätzlichen Wärmeübergangswiderstände von der Halbleitermontagefläche in die Rippenstruktur.

    Lamellenkühlkörper der Serie KGR bestehen aus einem Stück und haben keine zusätzlichen Wärmeübergangswiderstände von der Halbleitermontagefläche in die Rippenstruktur.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Skived Kühlkörper ermöglichen eine äußerst dichte und kompakte Rippenstruktur und können des Weiteren ohne großen Aufwand für Klein- und Nullserien hergestellt werden.

    Skived Kühlkörper ermöglichen eine äußerst dichte und kompakte Rippenstruktur und können des Weiteren ohne großen Aufwand für Klein- und Nullserien hergestellt werden.

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