Trotz neuer physikalischer und schaltungstechnischer Konzepte in der Leistungselektronik ist das thermische Management der eingesetzten elektronischen Bauteile für den Anwender immer noch eine echte Herausforderung. Ein nicht angepasstes und durchdachtes Wärmemanagement führt unweigerlich zu Ausfällen und Schwierigkeiten bei der Umsetzung. Optimal angepasste Entwärmungssysteme sind zwingend erforderlich, um thermische Überlastungen von Bauteilen und -gruppen zu vermeiden.
Die Entwärmung elektronischer Halbleiterbausteine erfolgt meistens mittels traditioneller Prinzipien, wie der natürlichen oder erzwungenen Konvektion und durch Flüssigkeiten. Die natürliche Konvektion beschreibt den Mechanismus des Wärmetransportes aufgrund von Dichte- und Temperaturunterschieden. Zwischen der Luft und dem Kühlkörper entsteht dabei ein sogenannter Konvektionsauftrieb. Das bedeutet, der Kühlkörper nimmt die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese anschließend über die Rippengeometrie an die Umgebung ab.
Extrusionskühlkörper aus Aluminium werden im Strangpressverfahren hergestellt. Ein großer Vorteil von ihnen besteht darin, dass sie sich in vielen unterschiedlichen Geometrien fertigen lassen. Dadurch ist ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen möglich.
Zuverlässige Lüftermotoren
Gegenüber der natürlichen Konvektion bieten Entwärmungskonzepte mittels zusätzlicher Luftströmungen, den sogenannten Lüfteraggregaten, eine erheblich höhere Wärmeabfuhr. Verlustleistungen, die durch freie Konvektion nicht mehr an die Umgebung abgeführt werden können, erfordern in vielen Applikation eine forcierte Entwärmung. Optimal wird die erzwungene Konvektion genutzt, wenn nicht lediglich vorhandene Kühlkörper für die freie Konvektion mit Luft angeströmt und somit in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert werden.
Die verwendeten Lüftermotoren müssen stets optimal auf den Aufbau und die Geometrie der inneren Wärmetauschflächen von Lüfteraggregaten abgestimmt werden. Wichtig ist das vor allem in Bezug auf den zur Verfügung stehenden Volumenstrom und Staudruck. Spezielle Ausführungen von Lüfteraggregaten sind im Bereich der Leistungselektronik eine bekannte und erprobte Technik. Darüber hinaus ermöglichen sie dem Anwender, thermische Temperaturbelastungen eines Bauteils oder sogar einer kompletten Baugruppe, relativ unkompliziert und kostengünstig zu vermeiden.
Viele Anwender stehen luftunterstützten Entwärmungskonzepten skeptisch gegenüber. Oft wird die Zuverlässigkeit der Lüftermotoren als limitierender Faktor angesehen. Erfahrungswerte aus der Praxis bestätigen das nicht. Die heutzutage verfügbaren hochqualitativen Lüftermotoren sind sehr zuverlässig.
Gemäß physikalischer Wirkprinzipien und Gesetze erfolgt die Wärmeableitung über die Temperaturdifferenzen des elektronischen Bauteils und seiner Umgebung. Der Wärmeaustausch findet hauptsächlich als konvektiver Anteil und nur im geringen Umfang als Wärmestrahlung statt. Nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung basieren auch Lüfteraggregate auf dem Wirkprinzip des konvektiven Wärmeübergangs. Nur wird dabei im Gegensatz zur natürlichen Konvektion ein mittels Ventilatoren erzeugter Luftstrom durch eine Wärmetauschstruktur geleitet. Lüfteraggregate gibt es unter anderem als Segment-, Kühlkörper-, Miniatur- und Hochleistungslüfteraggregate.
Miniaturlüfteraggregate sind aufgrund ihrer Komplexität und engen Rippengeometrie im inneren Strömungskanal sehr schwierig im Strangpressverfahren herzustellen. Die umliegenden Bauteilmontageflächen besitzen nach innen zeigende Kühlrippen. Sie bilden einen Rippentunnel für die Luftströmung und fungieren als Wärmetauschflächen. Der auf die Rippengeometrie und -anordnung abgestimmte Lüftermotor gewährleistet auf kleinem Raum einen sehr guten Wärmeübergang von der Bauteilmontagefläche zum umschlossenen Luftkanal. Der kompakte Aufbau der Miniaturlüfteraggregate bietet neben der ausgezeichneten Wärmeableitung die Möglichkeit zum direkten Verbau auf der Leiterkarte. Im Profil integrierte Nutgeometrien ermöglichen eine direkte Bauteilmontage an dem Lüfteraggregat mittels spezieller Einrast-Transistorhaltefedern.
Direkt auf der Leiterkarte verbauen
Für eine sehr wirkungsvolle Entwärmung von Hochleistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBTs, IGCTs und GTOs, sorgen Hochleistungslüfteraggregate. Diese zeichnen sich durch große Halbleitermontageflächen und die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen aus. In einem Basisprofil verpresste Hohlrippenprofile ergeben eine große Oberflächenstruktur und bilden gleichzeitig den Rippentunnel für die durchströmende Luft. Das U-förmige Grundprofil aus Aluminium wird im Extrusionverfahren hergestellt und besitzt gegenüber der Halbleitermontagefläche eine spezielle Nutgeometrie. In diese werden mittels spezieller Werkzeuge die einzelnen Hohlrippen formschlüssig, mechanisch und wärmeleitend verpresst. Zur Bauteilmontage verfügen verschiedene Varianten über einseitige oder auch doppelseitige Montageplatten. Sie sorgen für eine gute Wärmespreizung und gleichzeitig für eine sichere Bauteilmontage.
Die angesprochenen Hohlrippen besitzen zur Performancesteigerung eine gewellte, sogenannte kannelierte Oberflächenstruktur. Bei normalen Glattrippen und erzwungener Konvektion sind die zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft relativ gering. Die sich einstellende laminare Luftströmung reicht deshalb nicht aus, um die Wärme an die Umgebung abzuführen. Eine kannelierte Oberflächenstruktur bewirkt in diesem Fall eine turbulentere Strömung. Das verbessert erheblich den Wärmeübergang von der Rippenstruktur zur vorbei strömenden Luft.
Eine deutliche Verbesserung der Wärmeabfuhr von Lüfteraggregaten ergibt sich durch das Zusammenspiel von vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz im inneren Rippentunnel. Zu beachten ist allerdings, dass eine erhöhte Turbulenz im Lüfteraggregat gleichzeitig einen erhöhten Staudruck erzeugt, der der durchströmenden Luft entgegenwirkt. Die Auswahl eines geeigneten und leistungsstarken Lüftermotors, welcher dem Staudruck entgegenwirkt und die produzierte Luftmenge über die gesamte Länge des Lüfteraggregates transportiert, spielt deshalb eine entscheidende Rolle. Sehr performante, perfekt auf die Hohlrippengeometrie angepasste Axiallüftermotoren lösen dieses Problem. Bei ihnen wird die Luft axial angesaugt und auch axial in Richtung der Wärmetauschfläche ausgeblasen.
Eine weitere Leistungssteigerung der Wärmeabfuhr von elektronischen Bauelementen ergibt sich durch die Verwendung großvolumiger Radiallüftermotoren. Radial bedeutet in diesem Fall, das die Luft seitlich angesaugt, durch die Lüfterschaufelgeometrie um 90 Grad umgelenkt und in Richtung der Wärmetauschstruktur des Hohlrippenprofils ausgeleitet wird. Hochleistungslüfteraggregate, welche mittels Radiallüftermotoren betrieben werden, können sehr großformatig sein und erheblich größere Abmessungen als weniger druckstarke Lüftertypen besitzen. Sie erreichen Luftfördermengen von bis zu 1.400 m3/h und sehr kleine Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.
Diagonallüfter bieten hohen Volumenstrom
Andere Lüfteraggregate besitzen lammellenartige Basisprofile aus Aluminium, die in einem speziellen Herstellungsverfahren produziert werden. Die engmaschigen Wärmetauschflächen dieser Lüfteraggregate werden häufig in Verbindung mit Diagonallüftermotoren verwendet. Bei diesen wird die Luft ebenfalls axial angesaugt, aber eine konische Lüfterrad- und Gehäuseform sorgt für eine höhere Verdichtung der angesaugten Frischluft.
Neben einem deutlich höheren Volumenstrom wird durch dieses Lüfterprinzip ein größerer Druckaufbau gewährleistet. Dadurch ist der Einsatz von Hochleistungslüfteraggregaten mit einer deutlich dichteren und damit größeren Wärmetauschfläche möglich. Der verwendete Grundkörper als Tubus besteht aus mehreren zusammengesetzten Einzelteilen. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten werden mit einer wellenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke zu Montageplatten zusammengefügt.
Abschließend werden alle Komponenten miteinander verlötet. Das stellt sicher, dass die innere Wärmetauschstruktur mit sämtlichen Steg- und Montageplatten mechanisch und wärmetechnisch optimal verbunden ist. Die entstehende Wärme der Bauteile wird von der Halbleitermontagefläche über die einzelnen Stegplatten an die Wabenstruktur weitergeleitet und letztendlich an die durchströmende Luft abgegeben.
Die beschriebenen Lüfter- und Hochleistungslüfteraggregate spiegeln nur einen kleinen Teil der gesamten Produktgruppe wieder. Lüfteraggregate jeglicher Art, als Wärmemanagement für leistungsstarke elektronische Halbleiter, stellen eine erprobte Technik für die industrielle Leistungselektronik dar.
