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STROMVERSORGUNGEN
Damit können Sie rechnen
Thermal Management von
DC/DC-Power-Supply-Modulen
Kleiner, leistungsstärker, besser … ist die Devise im Bereich der DC/DC-Module zur Stromversorgung. Daher ist ein
gutes thermisches Management der Abwärme ein wichtiger Designvorgang geworden. Aber wie damit umgehen?
Bild 1: Wirkungsgrad vs Ausgangsstrom
Eine unbestreitbare Tatsache ist, dass der
Wirkungsgrad von Energieumwandlern immer kleiner 100 % ist. Das bedeutet, dass
ein Teil der umzuwandelnden Energie verloren geht, sprich in Wärme umgesetzt
wird, und die letztendlich abgeführt werden muss. Ein Hauptsatz der Thermodynamik sagt, dass Wärme immer nur vom
wärmeren zum kälteren Ort fließen kann.
Für DC/DC-Wandler bedeutet das, dass die
entstandene Verlustwärme vom Wandler
nur in die kältere Umgebung abfließen
kann, also die Umgebungstemperatur immer kleiner als max. zul. Temperatur des
Wandlers sein muss. Je kleiner diese Differenz ist, umso weniger Wärme wird abgeführt und sorgt somit zur weiteren Erwärmung des Wandlers.
Welche Temperaturangabe?
Aber welche Temperaturangabe im Datenblatt ist zu Berechnungen heranzuziehen?
˘ AUTOR
Carl Schramm ist Leiter des
Zuverlässigkeitslabors bei der
RECOM Development & Trading
GmbH & Co. KG in Österreich
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Bild 2: Wirkungsgrad vs Eingangsspannung
Recom gibt in seinen Datenblättern zwei
Temperaturen an, zulässige Umgebungstemperatur (operating temperature range)
mit oder ohne Derating und die maximal zulässige Gehäusetemperatur. Manche Hersteller sagen, das wäre das Gleiche.
Die Gehäuse(oberflächen)temperatur des
Moduls, liegt üblicherweise bei + 100 bis
+ 105 °C. Dieser Wert erscheint zunächst
sehr hoch, jedoch dieser Wert umfasst die
Eigenerwärmung durch die inneren Verluste, sowie die Erwärmung durch die Umgebungstemperatur. Je kleiner die Differenz zwischen Gehäuseoberfläche und
Umgebung ist, umso kleiner ist die abführbare Wärmemenge. Verfügt ein Wandler über einen niedrigen Wirkungsgrad wird
diese Grenze schneller erreicht als bei einem
Wandler mit hohem Wirkungsgrad. Die Verluste werden durch Schaltverluste der Transistoren, Gleichrichtverluste, Kernverluste im
Trafo, Kupferverluste in den Wicklungen
und Leiterbahnen u.v. m verursacht. Die
thermischen Grenzen werden durch die Curietemperatur des Kernmaterials des Trafos,
die maximale Sperrschichttemperatur der
Schalttransistoren oder maximale Betriebstemperaturen von Kondensatoren
festgelegt. Um ein optimales thermisches
Management zu erzielen, werden vergossene Wandler mit einer wärmeleitfähigen
Vergussmasse komplett ausgegossen, damit die punktuell auftretende Verlustwärme gut abgeleitet werden kann. Recom
setzt ein Vergussmaterial mit einem Wärmeleitwert von 0,4 W/mK ein, um einen
guten Wärmeabtransport über die Gehäuseoberfläche zu gewährleisten. Eventuell
wird hierbei zusätzlich ein Kühlkörper verwendet.
Maximal zulässige
Umgebungstemperatur
Recom gibt zur Beschreibung der thermischen Grenzen die maximal zulässige Umgebungstemperatur an, da diese zu Überprüfungszwecken leicht bestimmt werden
kann. Der Vorteil besteht darin, dass die aktuell vorliegenden Bedingungen, gemessen
werden können und nicht theoretisch ermittelt werden müssen, egal ob es sich um
eine offene oder geschlossene Baugruppe
handelt. Ebenso kann die max. zul. Gehäusetemperatur zur Überprüfung der richtigen Dimensionierung eines Kühlkörpers
herangezogen werden. Die Oberflächentemperatur des Gehäuses muss bei max.
Umgebungstemperatur unter ihrem Maxi-
elektronik industrie 5 - 2008
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malwert liegen. Zur Berechung wird das
„Ohm’sche Gesetz“ R = U/I in modifizierter
Form herangezogen, wobei der elektrische
Widerstand dem thermischen Widerstand
entspricht, der el. Strom der Leistung und die
Temperatur der Spannung. An nachfolgender Gleichung kann das oben gesagte nachvollzogen werden.
Jedoch sollte der Wirkungsgrad wie oben
beschrieben genau bestimmt werden. Bei
Metallgehäusen kann ein Kühlkörper eingesetzt werden, was besonders bei Systemen
mit Zwangsbelüftung sehr effektiv ist.
Kühlkörper in
zwangsbelüfteten Systemen
Wird in zwangsbelüfteten Systemen ein
Kühlkörper zur thermischen Stabilisierung
des DC/DC-Wandlers eingesetzt, sieht der Ansatz für den thermischen Widerstand wie
folgt aus:
wobei:
RTHcase-ambient = thermische Impedanz von
Gehäuseoberfläche zur Umgebung,
Tcase = Gehäusetemperatur,
Tambient = Umgebungstemperatur,
Pdissipation = Verlustleistung,
Pin = zugeführte Leistung,
Pout = abgegebene Leistung,
η(oper) = Wirkungsgrad bei Betriebsbedingungen.
Mit Hilfe obiger Formel kann die maximal
mögliche Umgebungstemperatur für eine
bestimmte Ausgangsleistung eines DC/DCWandlers berechnet werden, wobei zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad immer
eine Funktion der Ausgangsleistung und
auch der Eingangsspannung ist (Bild 1 und
Bild 2).
Das Deratingdiagramm im Datenblatt gibt
im Wesentlichen die entnehmbare Leistung
bei einer bestimmten Umgebungstemperatur wieder. In Wirklichkeit sind die Deratingkurven natürlich nicht so geradlinig, wie
sie in den meisten Datenblättern angegeben
werden. Bereits bei der Erstellung wurden
schon so viele Abschläge bei den kritischen
Bauteilen eingerechnet, dass diese Kurven
so bedenkenlos angewendet werden können.
Die Formel stellt auch anschaulich dar, dass
Gehäusetemperatur nicht gleich Umgebungstemperatur gesetzt werden kann, wie
oft fälschlicherweise behauptet wird, da
sonst keine Verlustleistung nach dem Hauptsatz der Thermodynamik abfließen kann.
Ergibt sich aus der Berechnung eine zu niedrige Umgebungstemperatur können folgende Maßnahmen ergriffen werden. Bei
Wandlern mit Kunststoffgehäuse kann die
nächste Baugröße eingesetzt werden, weil
damit mehr Gehäuseoberfläche zur Verfügung steht.
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wobei:
RTHcase-ambient = thermische Impedanz von
Gehäuseoberfläche zur Umgebung,
RTHcase-HS = thermische Impedanz von Gehäuseoberfläche zum Kühlkörper,
RTHHS = thermische Impedanz von Kühlkörper zur Umgebung.
Der Wert von RTHHS-ambient umfasst den thermischen Widerstand des Kühlkörpers einschließlich der zusätzlichen thermischen
Widerstände für Wärmeleitpaste oder Silikonpads für besseren thermischen Kontakt.
Werden diese Hilfsmittel nicht angewendet, muss für Luft ein Wert von ca. 0,2 K/W
zusätzlich eingesetzt werden. Bei der Festlegung des Wertes RTHHS-ambient ist zu beachten, dass der Wert für die aktuell vorhandene Anströmgeschwindigkeit aus den
Tabellen entnommen wird. Oft ist auch die
Anströmrichtung zu berücksichtigen. Meist
sind diese Werte in lfm (linear feet per minute) angegeben. Die Umrechnung in m/s
ist 100 lfm = 0,5 m/s. Dies ist nur eine mehr
oder weniger grobe Hilfestellung für alle
Anwender, die mit diesen technischen Fragestellungen konfrontiert werden, aber sie
deckt schon alle wesentlichen Punkte für
thermische Betrachtungen ab. Wenn jedoch
die Ergebnisse grenzwertig werden, muss
noch genauer hingesehen werden. So gibt
es beispielsweise einen Unterschied zwischen stehender Luft und Konvektion. Dies
würde jedoch den Rahmen dieser Veröffentlichung sprengen.
(jj)
˘
infoDIRECT
559ei0508
www.elektronik-industrie.de
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