Simulation

Auslegen von IGBTs – thermische Messung oder Simulation?

| Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Was ist richtiger: Simulation oder Messung der thermischen Parameter bei IGBTs?
Was ist richtiger: Simulation oder Messung der thermischen Parameter bei IGBTs? (Bilder: Alpha-Numerics)

Insbesondere in der Leistungselektronik tritt oft eine Diskrepanz zwischen der thermischen Messung und Simulationsergebnissen auf. Der Autor diskutiert die Sinnhaftigkeit der Ergebnisse.

IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) sind typische Komponenten der Leistungselektronik. Diese Weiterentwicklung eines vertikalen Leistungs-MOSFET findet aufgrund seiner hohen Vorwärts-Sperrspannung (bis ca. 6600 V) und der hohen Ströme (bis ca. 3000 A) Anwendung in verschiedenen Industriezweigen.

Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Anordnungen zu dieser Umformung werden Stromrichter genannt. Sie werden je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden

Diese Einsatzgebiete sind unter anderem: Frequenzumrichter für elektrische Antriebe, Hochfrequenzgeneratoren, USV-Anlagen, Solarwechselrichter, Umrichter für Windkraftanlagen, Schaltnetzteile etc.

Neben sehr rauen Umgebungsbedingungen ist die maximal zulässige Sperrschichttemperatur die wichtigste Vorgabe in der Produktentwicklung. Aufgrund der hohen Verlustleistungen, welche im IGBT entstehen, sind typische Kühlansätze aus der Schaltelektronik meist nicht ausreichend. Es kommen Hochleistungskühlkörper mit starken Lüftern oder sogar Flüssigkeitskühlplatten zum Einsatz.

Anlehnend an einen typischen Entwicklungsdurchlauf eines Umrichter-Herstellers werden sich in der Konzeptphase schon Gedanken gemacht, welches Kühlkonzept Sinn machen könnte. Die Designmöglichkeiten der Kühlung werden meist schon am Anfang durch folgende Punkte eingeschränkt:

  • Kann eine Fluidkühlung mit Zulauf/Ablauf, Pumpe realisiert werden?
  • Einbauraum – mögliche Größe der Kühleinheit
  • Gewichtsvorgaben – Leistungskühleinheiten sind meist nicht leicht!
  • Preisvorgaben (Produktionsmöglichkeiten schränken die Auswahl ein [Strangpressprofile, Aluguss, Materialwahl]), ein oder zwei Lüfter für die AC/DC-Seite?
  • Geräuschentwicklung durch die Lüftung
  • IP Klassifizierung – Kühlung in oder außerhalb des Gerätes

Nutzen von 3-D-Simulationswerkzeugen in der Vorentwicklung

Um frühzeitig schon die eigene Idee des Kühlkonzeptes auf den Prüfstand zu stellen, werden vermehrt 3-D-Simulationswerkzeuge schon in der Vorentwicklung eingesetzt.

Simulationswerkzeuge wie zum Beispiel 6SigmaET bieten eine vollwertige 3-D-Simulation der Luftströmung in einem virtuellen Messraum und unterscheiden durch lokale Turbulenzbetrachtung zwischen turbulenter und laminarer Strömung. Diese Charakterisierung ist sehr wichtig, da der Energietransport via Konvektion hierdurch maßgeblich bestimmt wird.

Durch diese lokale Betrachtung der Turbulenz, der Strömungsgeschwindigkeiten und – gekoppelt – der Temperaturdifferenzen, wird auch lokal an jeder Stelle einer angrenzenden Fläche eines Körpers zur Luft ein lokaler Wärmeübergangskoeffizient berechnet und für den Wärmetransport angewendet.

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