Die in der Einleitung angesprochene Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und beschäftigt sich im Wesentlichen mit der Wandlung, Steuerung und dem Schalten von elektrischer Energie. Somit wird gewährleistet, dass alle Komponenten eines Systems mit der richtigen Spannung, Strom und Frequenz betrieben werden. Kurz gesagt, die elektrische Energie kommt dort an, wo sie gebraucht wird. Die Bedeutung der Leistungselektronik wird in der Zukunft weiter ansteigen, da sich der Anteil der elektrischen Energie am Primärenergieverbrauch, zum Beispiel durch die Energiewende und auch wachsender Digitalisierung, deutlich erhöht. In der Leistungselektronik spielen insbesondere Bauteile, wie Transistoren, Thyristoren, IGBT, SSR und MOSFETs eine entscheidende Rolle. Deren wesentlichen Einsatzgebiete sind unter anderem als AC/DC- und DC/DC-Wandler, Wechselrichter und in Schaltnetzteilen zu finden.
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. Die Anforderungen an die Leistungselektronik in puncto Zuverlässigkeit und Effizienz wird auch in Zukunft nicht nachlassen, sondern steigen. Gleichzeitig soll die Leistungselektronik intelligenter werden, so dass industrielle Anwendungen, wie zum Beispiel elektrische Antriebe, bedarfsgerecht gesteuert werden können, anstatt sie unnötig unter Volllast zu betreiben. Die den Leistungshalbleitern zugeführte Energie lässt sich allerdings 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 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. Effiziente, auf die Bauteile angepasste Entwärmungslösungen sind gefordert, um eine sichere und funktionsgerechte Wirkungsweise der Bauteile langfristig zu gewährleisten.
Die leise Art der Entwärmung
Die Entwärmung von Leistungshalbleitern erfordert seitens der Anwender eine besondere Betrachtung der in Frage kommenden Lösungsansätze. Die auftretenden Durchlass- und Schaltverluste erzeugen hohe Wärmemengen, wobei wie bereits erwähnt eine dauerhafte Überschreitung der Bauteiltemperatur mitunter einen direkten Einfluss auf die Bauteillebensdauer sowie deren Wirkungsgrad hat. Neben der Effizienz der zum Einsatz kommenden Entwärmungsmethode sind weitere Faktoren, wie das Gewicht und die damit verbundenen Kosten für das jeweilige Wärmemanagement im Auge zu behalten.
Zur Entwärmung leistungsstarker Bauteilkomponenten sind auf dem Markt bereits etablierte und effektvolle Systeme verfügbar. Diese bedienen sich meistens der physikalischen Wirkprinzipien der freien oder erzwungenen Konvektion, aber auch vielfach der Entwärmung mittels Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl. Klassische Strangkühlkörper, wie diese in etlichen elektronischen Systemen eingesetzt werden, sind oftmals als Entwärmungsmethode im Bereich der Leistungselektronik aufgrund ihrer Performance nicht ausreichend. Die sogenannten Hochleistungskühlkörper aus dem Hause Fischer Elektronik sind speziell für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen konzipiert und entwickelt. Hochleistungskühlkörper unterscheiden sich im Wesentlichen zu anderen Strangkühlkörpern in deren Aufbau und geometrischen Abmessungen, sind darüber hinaus nicht nur in der Leistungselektronik gerne gesehen und verwendet. Hochleistungskühlkörper finden ihren Einsatz in vielzähligen Applikationen, wie zum Beispiel zur Entwärmung von Umrichtern oder Schaltnetzteilen, in der Antriebstechnik, in Windkraftanlagen und der Steuerung von Solarmodulen.
Die Wärmeaufnahme bei höheren Verlustleistungen erfordert gleichfalls ein spezielles Kühlkörperdesign, welches aufgrund der geometrischen Abmessungen sowie der Materialverteilung nicht als ein Profil, aus einem Stück, im Strangpressverfahren hergestellt werden kann. Gründe hierfür sind in der größere der Werkzeugmatrize, der Pressengröße und der damit verbundenen Presskraft zu finden. Hochleistungskühlkörper bestehen aufgrund dessen aus zwei stranggepressten Komponenten die miteinander zusammengefügt werden. Die erste Komponente besteht aus einem U-förmigen Basisprofil mit einer massiven Bauteilmontagefläche, je nach Ausführung, mit einer Materialstärke von 15 bis 20 mm. Als Besonderheit besitzt das Basisprofil in der Innenseite eine spezielle Einpressgeometrie, in welche als zweite Komponente verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst werden. Unterschiedliche breiten der Basisprofile sowie verschiedenartige, je nach Applikation angepasste Rippenstrukturen und -höhen, stehen dem Anwender als Hochleistungskühlkörper im Standardportfolio zur Verfügung. Aufgrund der unterschiedlichen Rippenformen ist diese Art der Hochleistungskühlkörper sowohl für die freie als auch erzwungene Konvektion geeignet und spezifiziert.
Die für die Anwendung benötigte Kühlkörperlänge wird ebenfalls seitens Fischer Elektronik individuell nach kundenspezifischen Vorgaben ab gelängt. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs, zum Beispiel für große IGBT-Module, werden nach Herstellerangaben häufig Ebenheiten von < 0,02 mm gefordert, welche ohne jegliche mechanische Nacharbeit aufgrund der Herstellung nicht zu erreichen sind. Gleichfalls sind Herstellungstoleranzen in Form von Durchbiegungen in Querrichtung sowie einer Torsion in Längsrichtung sehr gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung auszugleichen. Innovative CNC-gesteuerte Maschinen mit den dazugehörigen, je nach Oberflächengüte angepassten Fräswerkzeugen, bieten hervorragende Lösungen für Halbleitermontageflächen mit besonderer Qualität in Hinblick auf die Eben- und Rauheit.
Luft für mehr Performance
Gelangen Hochleistungskühlkörper an ihre thermischen Grenzen, so ist oftmals eine Performancesteigerung notwendig. Das Kühlmedium Luft führt in Verbindung mit speziellen Aluminiumprofilen zu einer beachtlichen Leistungssteigerung. Die sogenannten Lüfteraggregate unterteilt in verschiedenen Rubriken und Leistungsklassen, besitzen allesamt eine innenliegende umschlossene Wärmetauschstruktur in Rippenform, durch welche der mittels Lüftermotoren erzeugte Luftstrom geleitet wird. Die jeweilige Wärmetauschstruktur der unterschiedlichen Lüfteraggregate ist optimal auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten in Punkto Luftgeschwindigkeit und -volumen abgestimmt. Einseitige oder doppelseitige Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung innerhalb der Lüfteraggregate, dienen aber auch gleichzeitig als Halbleitermontagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten.
In Summe zeichnen sich die verschiedenen Ausführungen der Lüfteraggregate durch exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Hohlrippengeometrien und Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste sowie durch den Einsatz qualitativ hochwertiger Lüftermotoren aus. Lüfteraggregate mit ihren unterschiedlichen Aufbauten liefern im Bereich der Leistungselektronik effiziente Lösungsmöglichkeiten der Bauteilentwärmung und sind bereits für viele Applikationen als eine erprobte und kostengünstige Technik anzusehen.
Nach Luft folgt Wasser
Gelangen gleichfalls Lüfteraggregate an ihre thermischen Grenzen bei der Wärmeabfuhr, so besteht die Möglichkeit leistungsstarke Flüssigkeitskühlkörper einzusetzen. Nicht alleine durch das Kühlmedium Wasser, stellen Flüssigkeitskühlkörper im Hause Fischer Elektronik die leistungsstärkste Produktgruppe zur Bauteilentwärmung dar. Die spezifische Wärmekapazität mit 4,182 kJ/kg x K ist gegenüber dem Medium Luft vierfach größer, weshalb die hocheffizienten Flüssigkeitskühlkörper im Vergleich zu anderen Entwärmungslösungen deutlich hervorzuheben sind. Die komplett aus Aluminium gefertigten Flüssigkeitskühlkörper werden in unterschiedlichen Abmessungen als I- oder U-Durchströmte Variante auf dem Markt angeboten, wobei ebenfalls Produkte nach kundenspezifischen Vorgaben und Leistungsdaten hergestellt werden.
Als Besonderheit enthalten sämtliche Ausführungen eine dreidimensionale, zueinander versetzte Lamellenstruktur, welche als interne Wärmetauschfläche fungiert. Die genannte Lamellenstruktur ist wärmetechnisch optimal auf den jeweiligen Flüssigkeitskühlkörpertyp angepasst und wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden. Aufgrund dessen wird ein sehr guter Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit erzielt. Des Weiteren besitzen sämtliche Flüssigkeitskühlkörper eine massive Bodenplatte, welche standardmäßig exakt plan gefräst ist und zur Befestigung der Leistungshalbleiter oder Module auf dem Flüssigkeitskühlkörper dient. Bei vielen kundenseitigen Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik, fungieren angepasste Flüssigkeitskühlkörper immer häufiger als geeigneter Ansatz für eine effektive Bauteilentwärmung.
Thermisch richtig kontaktieren
Wie bereits kurz angesprochen, gilt es bei der Auswahl eines thermischen Managements, gleichfalls die herstellungsbedingten Toleranzen der in Frage kommenden Entwärmungskonzepte zu analysieren und zu berücksichtigen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von einem Bauteil zu einer Wärmesenke liefern Wärmeleitmaterialien (TIM) hervorragende Lösungsansätze, sofern diese richtig ausgewählt und eingesetzt werden. TIM-Materialien, wie häufig zu hören, nur auf ihre Wärmeleitfähigkeit zu beschränken oder diese anhand dessen auszuwählen, führen allerdings nicht zum Ziel. Heutige Wärmeleitmaterialien können durchaus mehr leisten als nur Wärmeleitung und sollten stets auf die Einbausituation, Toleranzparameter und die geforderten Randbedingungen abgestimmt sein.
Einflussgebende Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind unter anderem der Wärmewiderstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung, die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), um nur einige Parameter zu nennen. Für die Anwender von TIM-Materialien ist es für die richtige Auswahl empfehlenswert, sämtliche Parameter der Applikation zu analysieren, die in Frage kommenden Materialien in dem Versuchsaufbau zu integrieren und auf Tauglichkeit ausführlich zu untersuchen und zu testen. Fischer Elektronik konfektioniert sämtliche Wärmeleitmaterialien nach Ihren Zeichnungsvorgaben und bietet darüber hinaus einen kostenlosen 24-Stunden-Musterservice.
