Aufbau und Kühlung von Leistungshalbleitern

Lehrveranstaltung
„Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
Aufbau und Kühlung
von Leistungshalbleitern
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
([email protected])
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Umrichter-Leistungsteil
für den Industrieeinsatz
Quelle : SEMIKRON
… für Umrichterleistungsteile in stationären Ladeeinrichtungen
Andruckplatte
gelten vermutlich ähnliche Grundsätze
wie für Stromrichter in der Kleinindustrie
AnsteuerungsElektronik
LeistungsHalbleiter
Kühlkörper
… eine große Herausforderung für mobile Leistungselektroniken
sind die Kondensatoren
Elektrolytkondensatoren leiden unter
einer kurzen Lebensdauer (Austrocknen)
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
im Industrieeinsatz
… nach funktionalen Gesichtspunkten
… nach Fertigungs-Gesichtspunkten
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Bauformen
stationäre
mobile
Lade-Einrichtungen
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
… bei reinen Elektrofahrzeugen ???
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
Lösung eines Wettbewerbers
für Hybrid-Fahrzeuge
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
Lösung eines Wettbewerbers
für Hybrid-Fahrzeuge
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
Lösung eines Wettbewerbers
für Hybrid-Fahrzeuge
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
… noch zu lösende Aufgabenstellungen
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
Gewicht
Leistungselektronische Komponenten
sind eigentlich „Leichtgewichte“
Ausnahmen :
alle Komponenten, die Flüssigkeiten enthalten
• (Elektrolyt-)Kondensatoren
• Kühlkörper mit Flüssigkeitskühlung
alle Komponenten, die aus Massivmaterial bestehen
• Kühlkörper aus Kupfer oder Aluminium
• Gehäuse
Quelle : Hans-Peter Feustel – Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte;
Bayern-Innovativ Kooperationsforum „Trends in der Motorentechnologie“, 9. 5. 2005, Passau
Kühlungstechniken
Kühlung / Entwärmung von Bauelementen
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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
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)
Quelle : MERSEN
... verbessern die Wärmeverteilung
und das dynamische Verhalten
Danke !!!