Kühlung von Leistungshalbleitern
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Lehrveranstaltung „ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“ Kühlung von Leistungshalbleitern Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel ([email protected]) Technische Universität München Arcisstraße 21 80333 München Aufbau eines IGBTs Kühlungstechniken Kühlung / Entwärmung von Bauelementen • • • • Thermisches Ersatzschaltbild natürliche Konvektion forcierte Luftkühlung Flüssigkeitskühlung Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Dualismus : Wärmequelle thermische Energie Temperatur Temperaturdifferenz thermischer Widerstand Wärmekapazität gibt es nicht Stromquelle Strom elektrisches Potential Spannung elektrischer Widerstand elektrische Kapazität elektrische Induktivität … deshalb gibt es auch kein „Schwingen“ der Temperatur Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften … bei einfachen, überschaubaren Wärmeverteilungen lassen sich die Komponenten des Ersatzschaltbildes aus der Geometrie des Aufbaus und den physikalischen Materialparametern bestimmen … wie bei elektrischen Widerständen auch … für komplexere Wärmeverteilungen werden FEM-Simulationsprogramme angeboten Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Alternative : messtechnisch wie bei elektrischer Netzwerkanalyse … z. B. durch Messung der Sprungantwort(en) Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Vorteil des elektrischen Ersatzschaltbilds : transiente Wärmevorgänge lassen sich mit den Methoden der Netzwerktheorie und Signalanalyse einfach berechnen natürliche Konvektion der Wärmeübergang vom Kühlkörper zur umgebenden Luft ist abhängig von : der Temperaturdifferenz der wirksamen Oberfläche der Strömungsgeschwindigkeit der Luft … daher muss der Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material bestehen (Aluminium, Kupfer etc.) dicke Wurzel und möglichst viele Rippen eine möglichst große Oberfläche besitzen (oft als Strangpressprofil) eine dunkle Oberfläche besitzen vertikal montiert werden (Kamineffekt) weitere Kühlkörperbauformen • gestanzte und geformte Bleche • aufsteckbare Kühlsterne und Kühlfahnen – aus Aluminium – aus Federbronze – aus Stahlblech • Bodenplatte aus Aluminium, mit mechanisch eingepressten Kühllamellen forcierte Luftkühlung gegenüber natürlicher Kühlung (Konvektion) kann der thermische Kühlkörperwiderstand durch forcierte Belüftung auf 1/5 ... 1/15 verringert werden. wegen des überwiegenden Anteiles der Konvektion an der Wärmeabgabe hat eine Schwärzung des Kühlkörpers bei forcierter Luftkühlung wenig Sinn Flüssigkeits-Kühlung kleineres Temperaturgefälle zwischen Kühlkörperoberfläche und Kühlmittel höherer Leistungsumsatz oder niedrigere Chiptemperatur (hohe Lebensdauer) mit seinem großen Wärmespeichervermögen (spezifische Wärme cp = 4,187 kJ/kg *K) ist Wasser besser zur Wärmeabführung geeignet als andere Medien (Öl oder Glykolgemische) Flüssigkeits-Kühlung Flüssigkeitskühlung im Kühlkreislauf eines Kfz : durch Beimischung von z.B. Glykol sinkt das Wärmespeichervermögen der Kühlflüssigkeit ab da auch Viskosität und spezifisches Gewicht der Kühlflüssigkeit zunehmen, wächst mit steigendem Glykolanteil der thermische Widerstand zwischen Kühlkörper und Kühlflüssigkeit beträchtlich 50 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa 50...60 % 90 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa 110...130 % Flüssigkeits-Kühlung mit Heatpipes Heatpipes dienen dem Wärmetransport … werden eingesetzt, um die Wärme vom Bauteil zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten (z. B. bei engen Platzverhältnissen) ... verbessern die Wärmeverteilung und das dynamische Verhalten
