Die physikalischen Vorgänge in der Halbleiterschicht erzeugen eine Verlustleistung, die in eine Verlustwärme umgewandelt wird. In einem Stromdurchflossenen Halbleiter entsteht die „Abwärme“ durch den elektrischen Widerstand, welcher sich durch Zusammenstöße der Elektronen und Atome beim Schalten binärer Zustände ergibt. Frequenzbedingte Ladungsverschiebungen erhöhen den Energiebedarf und erzeugen hierdurch die bereits genannte Abwärme, das heißt, je häufiger geschaltet wird, desto höher ist die Wärmemenge. Eine sichere Funktion des Halbleiters wird somit nur gewährleistet, wenn dessen Temperatur in dem vom Hersteller definierten Temperaturbereich betrieben wird.
Betrachten wir die Relation der Leistungsdichten heutiger ICs oder IGBTs mit etwa >100 W pro cm2 zu einer Herdplatte mit einem Durchmesser von 15 mm bei einer Leistung von zirka 1000 W und einer Fläche von 177 cm2, ergibt sich für die Herdplatte lediglich eine Leistungsdichte von etwa 6 W pro cm2. Somit hat der Leistungshalbleiter eine mehr als 16fache Wärmeverlustleistung pro cm2 als die Herdplatte. Dieses Beispiel zeigt, dass ein effizientes Wärmemanagement des Bauteils unerlässlich ist. Für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen, bei denen applikationsbedingt klassische Strangkühlkörper für die freie Konvektion nicht ausreichend sind, ist der Einsatz einer forcierten Kühlung mittels Lüftermotoren oder einer Flüssigkeitskühlung oftmals erforderlich.
Die wirklich großen Wärmemengen elektronischer Komponenten nur mit Hilfe der freien Konvektion zu entwärmen, ist fast nicht mehr durchführbar. Nehmen wir die Anwendungen mit großen Leistungen wie Umrichter oder Schaltanlagen. Hier sind thermische Verlustleistungen in der Größenordnung mehrerer Kilowatt auf kleinsten Raum gegeben und müssen sicher abgeleitet werden. Forcierte Luftbewegung, Entwärmung mittels bewegter Luft, erzwungene Konvektion, alles Bezeichnungen für eine Lösung, die naturgemäß eine größere Wärmemenge ableiten kann.
Hochleistungslüfteraggregate
Mit so genannten Lüfteraggregaten gelingt die Wärmeabfuhr größerer thermischer Verlustleistungen ganz gut. Der Aufbau der verschiedenartigen Lüfteraggregate sowie die dazugehörige Geometrie der Wärmetauschflächen sind jeweils spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt und somit effektiv. Auch basieren diese wie die klassischen Strangkühlkörper auf dem Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs – nur wird hierbei, im Gegensatz zur freien Konvektion, durch die Lüftermotoren eine starke Luftbewegung erzeugt, welche in gerichteter Form durch eine Wärmetauschstruktur geleitet wird.
Die innere Rippenstruktur der Hochleistungslüfteraggregate besteht üblicherweise aus kannelierten Hohlrippen, wodurch zusätzlich eine vergrößerte Oberfläche und in Folge dessen eine Wirkungsgradverbesserung erreicht wird. Die bei einfachen Glattrippen zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft sind relativ gering beziehungsweise reicht die sich einstellende laminare Luftströmung nicht aus, um die aufgenommene Wärme abzuführen. Mit Hilfe der berippten Oberflächenstruktur (Kannelierung) wird eine mehr turbulente Strömung erzielt, um einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft zu erreichen.
Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz ergeben in puncto Wärmeabfuhr gute Leistungsverbesserungen, erfordern allerdings von den Lüftermotorenherstellern leistungsstarke Lüfterkonzepte, die dem aufgrund der zunehmenden Turbulenz steigenden Staudruck entgegenwirken. Neben den wohlbekannten Axial- und Diagonallüftermotoren, liefern Radiallüftermotoren weitere Leistungssteigerungen. Die damit zu realisierenden Hochleistungslüfteraggregate können großformatig sein und besonders, auch in der Aggregatlänge, über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen. Je nach Lüfteraggregatabmessungen erzielen Luftfördermengen von bis zu 1.400 m3/h kleinste Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.
Flüssigkeitskühlkörper
Für besonders leistungsstarke elektronische Bauelemente wirkt das nötige große Volumen der Wärmetauschflächen – Hohlrippenaluminiumgrundkörper – begrenzend durch den limitierten Wärmespreizeffekt, den zur Verfügung stehenden Einbauraum, dem relativ hohen Gewicht und der starken Geräuschentwicklung der Lüftermotoren, besonders wenn Radiallüfter ihren Einsatz finden. Flüssigkeitskühlkörper als ein geeignetes alternatives Entwärmungskonzept zur genannten Luftkühlung, ist bei etlichen Anwendungen durchaus überlegenswert. Die Akzeptanz dieser Art der Entwärmung ist allerdings immer noch schwierig und wird von vielen Anwendern skeptisch begutachtet, obwohl die Problematik der Verträglichkeit von Elektronik und Wasser sicherlich aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität kein Thema mehr darstellt. 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 Kühl-
medium Wasser ist physikalisch sowie auch wärmetechnisch gut und leistungsfähig. Betrachten wir die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 4,182 kJ/kg * K, so ist diese zirka vierfach größer als die von Luft, wodurch die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu anderen Entwärmungskonzepten hervorzuheben ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit der kompakten Bauweise am zu kühlenden Bauelement, da Flüssigkeitskühlkörper bauartbedingt keine Notwendigkeit für große Wärmespreizflächen haben und die Entwärmung direkt am Bauteil stattfindet.
Die Umsetzung verschiedener Flüssigkeitskühlkörper ist durch unterschiedliche auf dem Markt erhältliche Varianten historisch gekennzeichnet sowie zum Teil auch von Umweltbedingungen und Preis-Leistungskriterien bestimmt. Die ersten Flüssigkeitskühlkörper waren einfache, durchbohrte Platten aus Aluminium oder Kupfer, in deren Bohrungen Schlauchstutzen eingeschraubt oder eingeschweißt waren. Der nächste Entwicklungsschritt bestand darin, Kupferrohre in Basisplatten aus Aluminium einzuziehen oder einzupressen, welches heute immer noch das Markt-dominierende System an Flüssigkeitskühlkörpern unter dem Namen „Cold Plate“ ist. Bei moderneren Konzepten zur Umsetzung sind allerdings noch effektiver gestaltete Ausführungen gegeben und auf dem Markt erhältlich. Die je nach Flüssigkeitskühlkörperaufbau I- oder U-durchströmten Varianten sind komplett aus dem Material Aluminium gefertigt, einschließlich der Schlauchanschlüsse, und besitzen des Weiteren eine interne, dreidimensionale Wärmetauschstruktur. Diese zueinander versetzte Lamellenstruktur ist wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden und sorgt für einen guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Hierdurch wird ebenfalls, im Gegensatz zu üblichen Rohrsystemen, 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 durch eventuelle störende Rohrleitungen.
Zur Vermeidung der bekannten Lochfraßkorrosion, um 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. Die zu verwendenden Schlauchsysteme müssen allerdings in Folge dessen beständig gegenüber dem Kühlschutzmittel sein und zum Beispiel aus dem Material EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) bestehen. Die Rückkühlung des im Kühlkreislauf enthaltenden Kühlmediums erfolgt entweder durch bereits an der Maschine oder Anlage vorhandenen Rückkühlsystemen, aber auch durch einzelne und kompakte Lösungen. Diese „Stand-Alone“-Systeme werden dann an geeigneter Stelle außerhalb der zu kühlenden Leistungshalbleiter montiert und bieten Flexibilität in der Platzierung und Dimensionierung. Hierbei besteht das Rückkühlsystem aus einem speziellen Rückkühler mit einem flüssigkeitsführendem Rohrsystem, dem eigentlichen Wärmetauscher und einem elektrisch angetriebenen, leistungsstarken Lüftermotor, der die Kühlluft durch die Wärmetauschlamellen drückt. Eine Pumpe, welche den Flüssigkeitskreislauf und den Volumenstrom aufrecht erhält, sowie das verbindende Schlauchsystem komplettieren das Rückkühlsystem.
Das passende Entwärmungskonzept
Leistungsstarke Flüssigkeitskühler als ein geeignetes Entwärmungskonzept zur Luftkühlung mit Lüfteraggregaten, sind bei etlichen Anwendungen durchaus überlegenswert. Aufgrund der 4fach höheren Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft, ist die Flüssigkeitskühlung als Entwärmungskonzept überragend. Weiter entsteht am zu kühlenden Bauelement, welches direkt auf das flüssigkeitsdurchströmte Kühlelement aufgesetzt wird, kein Lärm und keine Vibrationen, die beim Einsatz von Lüftermotoren oftmals nicht nur störend (Geräuschentwicklung), sondern auch Gebrauchsdauer-beeinflussend sind. Statistisch gesehen sind Vibrationen mit einem 20-prozentigen Anteil nicht unerheblich an den Ausfällen elektronischer Systeme beteiligt.
Weitere Informationen zu Fischer Elektronik finden Sie im Business-Profil auf der Seite 34.
