Die hohe Integration der heutigen Leistungshalbleiter, wie zum Beispiel bei FET, MOSFET, IGBT, Triac oder SSR, macht die Entwärmung dieser Leistungsmodule zu einer kniffligen Aufgabe. Unter dem Begriff der Leistungselektronik versteht man heutzutage alles, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Leistungselektronik beginnt bereits mit einigen Milliampere und wenigen Volt, kann aber auch bis zu einigen Kiloampere und -volt reichen. Bei der Umformung der Ströme und Spannungen steht oftmals für den Anwender in der Applikation der Wirkungsgrad der eingesetzten Bauteile im Vordergrund. Die den Leistungshalbleitern zugeführte Energie wird allerdings nicht zu 100 Prozent konvertiert, wobei die auftretenden Verluste hauptsächlich in Form von Wärme abgegeben werden. Bekanntermaßen besteht in der Physik ein direkter Zusammenhang zwischen Temperaturstress und Lebensdauer von elektronischen Bauelementen. Eine Überschreitung der in den Herstellerdatenblättern genannten maximalen Betriebstemperatur führt zu Fehlfunktionen; eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur sogar zu einer Zerstörung des Halbleiters.
Wie bereits kurz beschrieben, ist die richtige Entwärmung von Leistungsbauteilen enorm wichtig für eine lange Lebensdauer der eingesetzten Komponenten, aber auch der gesamten Applikation. Das Unternehmen Fischer Elektronik bietet fachkundiges Wissen im Bereich der Bauteilentwärmung sowie einige effiziente und anpassbare Produktlösungen.
Effiziente Hochleistungskühlkörper
Passive Entwärmungsmethoden, die auf dem Wirkprinzip der freien Konvektion basieren, werden oftmals auch zur Entwärmung in der Leistungselektronik hinsichtlich verschiedenartiger Randbedingungen kundenseitig angefragt und gefordert. Klassische Standardstrangkühlkörper gelangen bei hohen Verlustleistungen aufgrund ihrer Geometrie und ihres Aufbaus in puncto Wärmeableitung häufig an ihre Grenzen. Speziell für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen bei natürlicher Konvektion sind die sogenannten Hochleistungskühlkörper entwickelt und konzipiert worden, welche in Summe die leistungsfähigsten Kühlkörperausführungen widerspiegeln.
Der Kühlkörperaufbau besteht aufgrund der Komplexität und der Schwierigkeit bei der Herstellung aus zwei Teilen. Der im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörperboden enthält eine spezielle Einpressgeometrie, in der wahlweise je nach Kundenapplikation verschiedenartige Vollrippen eingepresst sind. Des Weiteren fungiert der massive Kühlkörperboden als Halbleitermontagefläche und führt mit einer Materialstärke von 15 bis 20 mm zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers. Zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft enthalten die Vollrippen eine Oberflächenkannelierung, wodurch eine Wirkungsgradverbesserung von circa 10 Prozent gegenüber herkömmlichen Glattrippen erzielt wird.
Die Montage beziehungsweise die solide Befestigung der einzelnen Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörperboden ist zwar durch angepasste Aufnahmegewinde gegeben, nur wird eine optimale wärmetechnische Kontaktierung oftmals aufgrund der Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert. Die Abweichung der Ebenheit der Halbleitermontagefläche, also des Kühlkörperbodens, kann als Hüllkurve gesehen maximal 3,6 mm betragen (konvex/konkav). Somit ist relativ einfach ersichtlich, dass zum Beispiel für große IGBT-Module die oftmals nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von unter 0,02 mm ohne jegliche mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen beziehungsweise presstechnisch nicht herzustellen sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte im Hinblick auf Ebenheit und Rauheit sind mithilfe eines innovativen Maschinenparks und geeigneter Fräswerkzeuge, gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen.
Luft für mehr Entwärmung
Bestehen in der Applikation Restriktionen hinsichtlich der geometrischen Abmessungen oder des damit verbundenen Gewichts eines Hochleistungskühlkörpers oder ist einfach das Wirkprinzip der freien Konvektion nicht ausreichend, um die auftretenden Wärmemengen abzuführen, dann ist eine deutliche Leistungssteigerung in der Wärmeableitung durch sogenannte Lüfteraggregate gegeben. Lüfteraggregate basieren auf dem Prinzip der forcierten Konvektion und besitzen eine innenliegende, umschlossene Wärmetauschstruktur, welche optimal auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten in puncto Luftgeschwindigkeit und -volumen abgestimmt ist. Verschiedenartige Lüfteraggregate stellen in der Leistungselektronik eine erprobte Entwärmungstechnik dar und sind darüber hinaus in Verbindung mit den verwendeten Lüftermotoren äußerst effizient.
Die dem Aluminiumbasisprofil vorgeschalteten Lüftermotoren erzeugen eine starke Luftbewegung, welche in gerichteter Form die innenliegende Wärmetauschstruktur durchströmt. Die eigentliche Wärmetauschstruktur besteht als Besonderheit bei größeren Lüfteraggregaten aus kannelierten Hohlrippen, wodurch eine vergrößerte Oberfläche zur Wärmeaufnahme erreicht wird. Des Weiteren bewirkt die Kannelierung der Hohlrippen im Gegensatz zu normalen Glattrippen ebenfalls eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung, da durch die berippte Oberflächenstruktur eine stärker turbulente Strömung und damit ein besserer Wärmeübergang von den Rippen zur vorbeiströmenden Luft erreicht wird.
Die Produktgruppe der Lüfteraggregate umfasst spezielle Systeme in Form von Segment-, Miniatur-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregate mit Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotor. Die unterschiedlichen modularen Aufbauten der Lüfteraggregate sowie deren technische Realisierung sind auf die vielfältigen Einsatzbedingungen, die elektronischen Bauteile und die abzuleitenden Wärmemengen hin optimiert. Einseitige oder auch doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung innerhalb der Lüfteraggregate und dienen gleichzeitig als Halbleitermontagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten. Insgesamt zeichnen sich die unterschiedlichen Arten der Lüfteraggregate durch exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Hohlrippengeometrien und Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste sowie durch die Möglichkeit aus, einzelne Profilsegmente elektrisch und thermisch zu isolieren.
Wasser und Elektronik vertragen sich
Für besonders leistungsstarke elektronische Bauelemente wirkt das große Volumen der Wärmetauschflächen der genannten Hochleistungskühlkörper begrenzend durch den limitierten Wärmespreizeffekt, den zur Verfügung stehenden Einbauraum, das relativ hohe Gewicht und die starke Geräuschentwicklung der Lüftermotoren bei Lüfteraggregaten, besonders wenn Radiallüfter zum Einsatz kommen. Flüssigkeitskühlkörper sind als geeignete alternative Entwärmungslösung zu den bereits genannten Konzepten bei etlichen Anwendungen durchaus überlegenswert. Die Akzeptanz dieser Art der Entwärmung ist allerdings immer noch schwierig und wird von vielen Anwendern skeptisch betrachtet, obwohl die Problematik der Verträglichkeit von Elektronik und Wasser sicherlich aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität kein Thema mehr darstellt. Sowohl spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, Arten der Kopplungssysteme als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme sind zuverlässiger Stand der heutigen Technik.
Die Effizienz der Flüssigkeitskühlkörper mit dem Kühlmedium Wasser ist physikalisch sowie auch wärmetechnisch sehr gut und sehr leistungsfähig. Betrachtet man die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 4,182 kJ/kg*K, so ist diese circa viermal so groß wie die von Luft, wodurch die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu anderen Entwärmungskonzepten deutlich hervorzuheben ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit der sehr kompakten Bauweise am zu kühlenden Bauelement, da Flüssigkeitskühlkörper bauartbedingt keine Notwendigkeit für große Wärmespreizflächen haben und die Entwärmung direkt am Bauteil stattfindet.
Die je nach Flüssigkeitskühlkörperaufbau I- oder U-durchströmten Varianten sind komplett aus dem Material Aluminium gefertigt einschließlich der Schlauchanschlüsse und besitzen darüber hinaus eine interne, dreidimensionale Wärmetauschstruktur. Diese zueinander versetzte Lamellenstruktur ist wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden und sorgt für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Hierdurch wird ebenfalls eine homogene (flächige) Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers erreicht und die aufgrund der Wärmetauschstruktur entstehenden Strömungsverluste sind minimal.
Die zur Montage der Leistungshalbleiter und Module exakt plan gefräste, dicke Befestigungsplatte erlaubt darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne eine Beschränkung. Um Lochfraßkorrosion und damit ein Auflösen des Materials zu verhindern, ist bei Aluminiummaterialien auch der Einsatz von Korrosionsinhibitoren (Kühlschutzmittel) angezeigt. Empfohlen wird in der Anwendung ein Wasser-Glykol-Gemisch in der prozentualen Aufteilung von 50:50.
