Die hohe Integration der heutigen Leistungshalbleiter, wie bei FET, MOSFET, IGBT, Triac oder SSR, macht die Entwärmung dieser Leistungsmodule zu einer kniffligen Aufgabe. Neben der Effizienz sind weitere Faktoren, wie das Gewicht und die damit verbundenen Kosten für das jeweilige Entwärmungskonzept, im Auge zu behalten. 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. Letztendlich steht bei der Umformung der Ströme und Spannungen immer der Wirkungsgrad im Vordergrund.
Leistungselektronik beziehungsweise leistungselektronische Systeme bestehen immer aus einem Steuerungs- oder Regel- und dem Leistungsteil selbst. Letzteres wird oftmals als Leistungselektronik bezeichnet, besteht aber selbst wieder aus mehreren aufeinander abgestimmten Komponenten. Die den Leistungshalbleitern zugeführte Energie lässt sich nicht zu
100 Prozent konvertieren, wobei die auftretenden Verluste hauptsächlich in Form von Wärme abgestrahlt werden. Bekanntermaßen besteht in der Physik ein direkter Zusammenhang zwischen Temperaturstress und Lebensdauer von elek-
tronischen Bauelementen. Eine Überschreitung der in den Herstellerdatenblättern genannten maximalen Betriebstemperatur führt zu Fehlfunktionen – eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur sogar zu einer Zerstörung des Halbleiters. Große Wärmemengen und zeitabhängige Temperaturbelastungen der elektronischen Bauelemente sind speziell in der Leistungselektronik ein erheblicher Faktor für die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzepts.
Die leistungsfähigsten Kühlkörper
Passive Entwärmungsmethoden, basierend auf dem Wirkprinzip der lautlosen freien Konvektion, sind auch in der Leistungselektronik gewünscht. Klassische Standardstrangkühlkörper gelangen bei hohen Verlustleistungen aufgrund ihrer Geometrie und ihrem Aufbau in puncto Wärmeableitung häufig an ihre Grenzen. Speziell für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen bei natürlicher Konvektion wurden so genannte Hochleistungskühlkörper entwickelt und konzipiert. Sie spiegeln in Summe die leistungsfähigsten Kühlkörperausführungen wieder.
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 Voll- oder Hohlrippen eingepresst sind. Die Kühlkörperbasis beziehungsweise der -boden kann aufgrund der Abmessungen und der damit verbundenen Werkzeuggröße nur bis zu einer Breite von maximal 400 mm in einem Stück per Strangpressen hergestellt werden. Größere Breitenvarianten bestehen daher aus mehr als einem Stück und sind in der Mitte, bei noch größeren Ausführungen an bis zu drei Stellen, verschweißt. Mittels Reibrührschweißen (Friction Stir Welding) ist es möglich, Aluminiumprofile in Breiten von bis zu 900 mm herzustellen. Dabei werden die Strangpressprofile im kalten Zustand nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander verbunden. Der massive Kühlkörperboden fungiert außerdem als Halbleitermontagefläche und führt mit einer Materialstärke von 15 bis 20 mm zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers. Zur Verbesserung des Wärmeübergangswiderstands bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft enthalten die Voll- oder Hohlrippen eine Oberflächenkannelierung. Das verbessert den Wirkungsgrad um rund 10 Prozent gegenüber herkömmlichen Glattrippen.
Die Montage beziehungsweise die solide Befestigung der einzelnen Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörperboden ist durch angepasste Aufnahmegewinde gegeben. Allerdings wird eine optimale wärmetechnische Kontaktierung oft aufgrund der Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert. Je nach Einbaubedingungen sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität berücksichtigt werden. Zum Beispiel darf ein Kühlkörper mit einer Breite von 750 mm und einer Gesamtrippenhöhe von 83,5 mm, inklusive einer Bodenstärke von
20 mm, laut Fertigungszeichnung eine Winkelabweichung der Rippen zueinander von bis zu drei Millimetern aufweisen. Die Abweichung der Ebenheit der Halbleitermontagefläche, also dem Kühlkörperboden, kann als Hüllkurve gesehen maximal 3,6 mm betragen. Es ist relativ einfach ersichtlich, dass beispielsweise für große IGBT die oftmals nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von kleiner 0,02 mm ohne jegliche mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit lassen sich allerdings mit einem speziellen Maschinenpark und geeigneten Fräswerkzeugen gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung erreichen.
Lüftermotoren für mehr Leistung
Für eine Leistungssteigerung der genannten Hochleistungskühlkörper sorgt der Einsatz beziehungsweise die Unterstützung von zusätzlichen Lüftermotoren. Bestehen in der Applikation bestimmte Restriktionen bei den geometrischen Abmessungen, dem damit verbundenen Gewicht 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 Lüfteraggregate gegeben. Verschiedenartige Lüfteraggregate stellen in der Leistungselektronik eine erprobte Entwärmungstechnik dar. Mit Hilfe des Wirkprinzips der erzwungenen Konvektion sind die immer größer werdenden Probleme zur Sicherstellung der Halbleiterfunktion im vorgegebenen Temperaturbereich einfach und kostengünstig zu eliminieren. Die innen liegende Wärmetauschstruktur der Lüfteraggregate besteht in den meisten Fällen aus Hohlrippen, die in ihrem Aufbau und ihrer Geometrie jeweils auf die entsprechenden Lüftermotoren und deren Leistungsdaten wie beispielsweise die Luftgeschwindigkeit und -volumen abgestimmt sind.
Die sehr effektiven Lüfteraggregate basieren auf dem Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion. Dabei wird durch die davor angebrachten Lüftermotoren eine starke Luftbewegung in gerichteter Form durch die innen liegende Wärmetauschstruktur geleitet. Die eigentliche Wärmetauschstruktur besteht 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 größere turbulente Strömung erzielt wird. Weiterhin wird ein besserer Wärmeübergang von den Rippen zur vorbeiströmenden Luft erreicht. Die einzelnen Hohlrippen bei den Lüfteraggregaten oder die Vollrippen bei den Hochleistungskühlkörpern werden mechanisch mittels spezieller Vorrichtungen und Werkzeuge formschlüssig und wärmetechnisch optimiert in ein extrudiertes Basisprofil aus Aluminium eingepresst. Einseitige oder auch doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung, dienen aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten.
Flüssigkeitskühlkörper bei hoher Wärme
Zur Entwärmung besonders leistungsstarker Halbleiterbauelemente liefern Flüssigkeitskühlkörper bei etlichen technischen Anwendungen eine Alternative zur Luftkühlung. Das gilt insbesondere dann, wenn in der Applikation das benötigte große Volumen, der zur Verfügung stehende Einbauraum, das relative hohe Gewicht und die starke Geräuschentwicklung der aktiven Kühlung ein Ausschlusskriterium darstellen. Physikalisch und auch wärmetechnisch gesehen, liefern Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser oder Öl ausgezeichnete und sehr leistungsfähige Entwärmungskonzepte. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist rund viermal größer als die von Luft, wodurch sich die Flüssigkeitskühlung deutlich von anderen Entwärmungskonzepten unterscheidet. Die als I- oder U-durchströmten Ausführungen der Flüssigkeitskühlkörper bestehen komplett aus Aluminium und benötigen als Kühlmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch. Des Weiteren besitzen die verschiedenartigen Varianten eine innen liegende, dreidimensionale Wärmetauschstruktur. Die beschriebene Lamellenstruktur ist zueinander versetzt angeordnet und wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden. Hierdurch wird ein optimaler Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit gewährleistet. Materialstarke, exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen dienen zur Befestigung der elektronischen Bauelemente und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile, ohne eine Beschränkung durch eventuell störende Rohrleitungen.
