Die richtige Auswahl eines auf die Anwendung abgestimmtes Entwärmungskonzeptes, um die vom Hersteller vorgegebene Bauteillebensdauer sowie die Zuverlässigkeit eines einzelnen Bauteils oder gar einer kompletten Funktionseinheit zu gewährleisten, stellt den Anwender bei vielfachen Applikationen vor eine oftmals nicht einfach zu lösende Aufgabe. Besonders die verwendeten Bauteile in der Leistungselektronik, wie etwa IGBTs, IGCTs, FET, Mosfet, Triac oder SSR, verursachen aufgrund der Bauteilkomplexität erhebliche Wärmemengen, die effizient kontrolliert und an die Umgebung abgeführt werden müssen.
Demzufolge besteht anwenderseitig stets das Ziel und die Aufgabe, eine wirkungsvolle Entwärmungsmethode auszuwählen, um somit die verwendeten Komponenten in dem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturfenster zu halten und langfristig zu betreiben. Neben der Effektivität des Entwärmungskonzeptes durch eine genaue Überprüfung der thermischen Parameter, sind bei der Auswahl einer Entwärmungslösung gleichfalls spezielle Randbedingungen, wie das Gewicht, die Kosten, die Einbaubedingungen und Platzverhältnisse in der Applikation, unbedingt zu berücksichtigen.
Entwärmungskonzept bestimmen
Zur Bestimmung des eingesetzten Entwärmungskonzeptes ist die Berechnung des benötigten thermischen Widerstandes hilfreich. Der thermische Widerstand liefert im Vorfeld eine wichtige Aussage darüber, ob zur Lösung der thermischen Aufgabe eine passive, aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten eingesetzt werden muss. Der thermische Widerstand, auch Wärmewiderstand genannt, setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiltemperatur und Applikationsumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung der elektronischen Komponente zusammen.
Die meisten Hersteller solcher Entwärmungskonzepte liefern in ihren Katalogen oder auf deren Homepage Angaben zum thermischen Widerstand, in Form von Grafiken oder Werten. Hierdurch ist es für den Anwender relativ einfach, eine grobe Vorauswahl zu einem möglichen Entwärmungskonzept zu treffen sowie die Vielzahl der in Frage kommenden Systeme einzugrenzen.
Hohe Verlustleistungen unter Kontrolle
Je nach abzuführender Verlustleistung und Leistungsklasse der verwendeten elektronischen Bauteile, stehen dem Anwender seitens Fischer Elektronik verschiedene effiziente Entwärmungskonzepte zur Verfügung. Besonders erwähnenswert sind zur Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen die sogenannten Hochleistungskühlkörper, Lüfteraggregate und Flüssigkeitskühlkörper zu nennen. Hochleistungskühlkörper stellen in der Rubrik der klassischen Strangkühlkörper die leistungsfähigsten Ausführungen dar und sind bei freier, aber auch forcierter Konvektion, äußerst effizient. In ihrem Aufbau sind Hochleistungskühlkörper sehr komplex und voluminös, können aufgrund dessen presstechnisch auch nicht in einem Stück hergestellt werden.
Herstellungsbedingt bedient man sich eines strangpressten Basisprofils, in welchem eine besondere Einpressgeometrie eingebracht ist. In einem nachträglichen Arbeitsgang werden in diese Geometrie, je nach Bedarf, unterschiedliche Voll- oder Hohlrippen unverlierbar eingepresst und der Hochleistungskühlkörperaufbau komplettiert.
Neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Hochleistungskühlkörpern, wie das Reibrührschweißen (Friction Stir Welding), ermöglicht es, zwei Strangpressprofile im kalten Zustand mit deren Eigenmasse plastisch miteinander zu verbinden. Unabhängig von der Herstellungsart können aufgrund unterschiedlicher Verfahren großvolumige Hochleistungskühlkörper mit besonders großen Abmessungen und Kühlkörperbreiten bis 900 mm produziert werden.
Forcierte Konvektion im Detail
Allerdings sind auch Hochleistungskühlkörper in ihrer Performance und Wärmeabfuhr nicht unendlich. Gelangen Hochleistungskühlkörper in der Applikation an ihre Grenzen, so liefert das Wirkprinzip der forcierten Konvektion mit Hilfe von sogenannten Lüfteraggregaten eine deutliche Leistungssteigerung in puncto Wärmeabfuhr.
Lüfteraggregate bestehen aus einem umschlossenen Aluminiumbasisprofil vor welchem ein zusätzlicher oder mehrere Lüftermotoren, verbaut sind. Die Produktgruppe an Lüfteraggregaten im Hause Fischer Elektronik umfasst zahlreiche und verschiedenartige Varianten aus denen der Kunde auswählen kann. Hierzu sind sogenannte Segment-, Miniatur-, Kühlkörper-, Hohlrippen- und Hochleistungslüfteraggregate im Besonderen zu erwähnen.
Das bereits angesprochene umschlossene Basisprofil aus Aluminium bildet bei allen Ausführungen an Lüfteraggregaten im Detail seine Besonderheit. Im inneren der Profile befindet sich immer ein Rippentunnel, welcher als Wärmetauschfläche fungiert und mit der erzeugten Luft der Lüftermotoren durchströmt wird. Die jeweilige Geometrie und der Aufbau des Rippentunnels sind auf die Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und -volumen, abgestimmt und dadurch sehr effektiv.
Zur Besserung des Wärmeübergangs von den einzelnen Rippen im Strömungskanal zur vorbei strömenden Luft, besitzen die Kühlrippen eine gewellte Oberflächenstruktur (Kannelierung), wodurch innerhalb des Lüfteraggregates eine mehr turbulente Luftströmung erzielt wird. Zusätzlich bewirkt die Kannelierung eine Vergrößerung der Oberfläche und dadurch eine Wirkungsgradverbesserung.
Optimierte Lüfteraggregate
Die angebotenen Lüfteraggregate sind je nach Ausführung und Art des Aufbaus, mit einseitigen oder doppelseitigen Halbleitermontageflächen erhältlich. Die genannten Montageflächen sind von ihrer Materialstärke deutlich massiver ausgeführt und sorgen neben einer fachgerechten Fixierung der Bauteile für eine gute Wärmeverteilung innerhalb des Lüfteraggregates. Die Halbleitermontageflächen sind allerdings aufgrund der komplexen Herstellungsart nicht hundert prozentig eben, wodurch eine wärmetechnische Kontaktierung der Komponenten durch die auftretenden Toleranzen erschwert wird.
Besonders die Durchbiegung (konvex/konkav) der Montageflächen in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung gilt es zu beachten. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind allerdings mit Hilfe eines innovativen Maschinenparks und geeigneter Fräswerkzeuge sehr gut durch eine CNC-Bearbeitung zu erreichen. Allerdings will auch die CNC-Bearbeitung gelernt sein, weshalb aufgrund der Komplexität und nicht einfach umzusetzenden Bearbeitung, alle Lüfteraggregate seitens Fischer Elektronik standardmäßig mit exakt plan gefrästen Halbleitermontageflächen angeboten und ausgeliefert werden.
Zur Optimierung der durch die Lüftermotoren erzeugten Luftströmung ist die Verwendung sogenannter Vorkammern in Verbindung mit Lüfteraggregaten überaus sinnvoll. Vorkammern sind umlaufend umschlossen und werden je nach Aggregatausführung als Blechbiegeteil oder aus zwei mittels Nut-/Federsystem zusammengesteckten Halbschalenprofilen aus Aluminium aufgebaut. Die jeweilige auf die Größe der Lüftermotoren abgestimmte Vorkammer wird zwischen dem Lüfter und dem Basisprofil mit integriertem Rippentunnel verschraubt. Die zusätzliche Verwendung einer Vorkammer liefert vielzählige positive Effekte in Bezug auf die in das Aggregat einströmende Luft, wodurch die thermische Performance des Lüfteraggregates gesteigert wird.
Die direkte Verschraubung des Lüftermotors auf dem Lüfteraggregat (Rippentunnel), führt hinter der Lüfternabe zu einem luftleeren Raum, da die Lüfternabe auf der innenliegenden Rippenstruktur aufsitzt und diese somit abdeckt. Folglich wird der Bereich hinter der Lüfternabe im umschlossenen Rippentunnel weniger durchströmt, worunter ebenfalls die thermische Gesamtperformance des Lüfteraggregates leidet. Ein Teil der erzeugten Luftströmung prallt auf die dicht anliegende Rippenstruktur des Lüfteraggregates auf und wird reflektiert (Lufttechnischer Kurzschluss).
Der Einsatz einer Vorkammer gewährleistet einen definierten Abstand des Lüftermotors zum Aluminiumprofil und gleichfalls wird die durch die Rotation des Lüftermotors erzeugte turbulente Luftströmung gerichtet. Eine mehr laminare Luftströmung im Rippenkanal ist die Folge, da auch der Beschattungsbereich hinter der Lüfternabe mit Luft durchströmt wird. Neben einer Verbesserung der Luftdurchströmung, minimiert die Vorkammer ebenfalls das auftretende Geräusch, welches entsteht, wenn der Lüftermotor direkt auf der Rippenkontur des Lüfteraggregates aufliegt.
Wie bereits erwähnt sind die verwendeten Lüftermotoren auf das dazugehörige Aluminiumprofil und dessen innenliegenden Rippentunnel in puncto Volumenstrom sowie Staudruck abgestimmt. Die teilweise sehr dichte Wärmetauschstruktur
im Strömungskanal, erfordert gleichfalls performante Lüftermotoren.
Die eingesetzten Lüftermotoren müssen in der Lage sein, die Aggregate aufgrund ihres Staudrucks, dem Widerstand der Rippenstruktur, entgegenzuwirken und über die gesamte Aggregatlänge mit Luft zu durchströmen. Sehr problematisch ist eine homogene Durchströmung bei größeren Aluminiumabschnitten (Längen). Denn mit zunehmender Aggregatlänge steigt die Temperatur im Rippenkanal, was sich negativ auf die im hinteren Bereich montierten Bauteile auswirkt. Der Aufbau eines Tandem-Betriebs (Push/Pull) der Lüftermotoren liefert hierbei deutliche Abhilfe. Der vordere Lüftermotor drückt die erzeugte Luftströmung in den Rippenkanal und der hintere zieht diese aus dem Aggregat heraus. So entsteht eine gleichmäßige Durchströmung des Lüfteraggregates.
Fazit
Entwärmungskonzepte für hohe Leistungsklassen und erzwungener Konvektion liefern verschiedenartige Varianten als Lüfteraggregat. Die unterschiedlichen modularen Aufbauten der Lüfteraggregate sind in Summe sehr effizient sowie ist deren technische Realisierung auf die vielfältigen Einsatzbedingungen, die elektronischen Bauteile und die abzuleitenden Wärmemengen hin optimiert. Die verfügbaren Ausführungen und Aufbauten der Lüfteraggregate bieten ein- oder doppelseitige massive Bodenplatten als Halbleitermontageflächen, ebenso lufttechnisch angepasste Hohlrippengeometrien oder Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste.
