Kühlen von Stromversorgungen Beste Effizienz auch beim Thermal Management

Autor / Redakteur: Marc Erdmann * / Gerd Kucera

Wenngleich Wirkungsgrade moderner Stromversorgungen steigen, muss trotzdem die noch verbleibende Verlustwärme bestmöglich abgeführt werden. Lösungen zeigt dieser Beitrag.

Firmen zum Thema

Bild 1: Montageplatte als diskreter Kühlwinkel
Bild 1: Montageplatte als diskreter Kühlwinkel
(Bild: inpotron)

Heutiges Knowhow der Stromversorgungsentwicklung ermöglicht Wirkungsgrade von bis zu 95%, eine deutliche Verbesserung gegenüber vor 10 Jahren. Einher wird die Kompaktheit erhöht, oftmals auch über den damals gängigen thermischen Beanspruchungen hinaus. Die verbleibenden 5% der aufgenommenen Eingangsleistung ist reine Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird, welche aus der Elektronikbaugruppe abgeführt werden muss.

Bildergalerie

Die Realisierung von Kühllösungen ist deshalb neben dem Elektronik-Design die Herausforderung, um kompakte und effiziente Lösungen zu realisieren.

Jedes Kühlkonzept ist wie jedes Netzteil von inpotron kundenspezifisch ausgelegt. Der Kunde bestimmt die Einbaulage und die Einsatzbedingungen.

Schaltnetzteile werden im Verhältnis zu ihrer Größe zunehmend komplexer. Dadurch wird das relative Volumen innerhalb der Elektronik immer kleiner. Um dennoch gute und effektiv wirksame Entwärmungskonzepte zu erzielen gilt es, viele ganz unterschiedliche Faktoren zu berücksichtigen.

Werkstoffauswahl entscheidet über den Kühlkörper

Der richtige Werkstoff ist maßgeblich für die Funktion des Kühlmediums. In der Regel fällt die Wahl auf Aluminium. Dieser Werkstoff ist kostengünstiger als beispielweises Kupfer, hat eine geringere Dichte und die Verfügbarkeit ist höher. Weiterer großer Vorteil von Aluminium ist die ausgezeichnete Verarbeitbarkeit.

Elektrische Bauteile können aus Gründen der Isolation und zum Teil aufgrund der EMV-Beeinflussung meist nicht direkt auf den metallischen Kühlkörper geschraubt werden. Außerdem sind Blechoberflächen sowie Bauteiloberflächen nicht ausreichend plan. Eine nicht plane Oberfläche wirkt äußert ungünstig einem guten Wärmeübergang entgegen. Aus diesen beiden Gründen nutzt man sogenannte Thermo-Isolierfolien. Diese Folien sind elektrisch isolierend, teilweise selbsthaftend sowie kompressibel und garantieren bei einer definierten Verdrückung einen guten und berechenbaren Wärmeübergang.

Voraussetzung für den Wärmeübergang

Ein entscheidender Faktor des Wärmeübergangs von einem Bauteil auf den Kühlkörper ist die Anpresskraft, mit der das Bauteil gegen die Kühlkörperfläche gedrückt wird. Diese Kraft sollte nach Möglichkeit über die Zeit immer konstant sein.

Federnde Klammern sind hierzu die sinnvollen, kostengünstigen Komponenten. Klammern garantieren stets den gleichen Anpressdruck des Bauteils auf die Kühlkörperfläche, auch bei häufigen Temperaturwechseln.

Bildergalerie

Das bei inpotron integrierte System dieser Befestigungslösung deckt den Großteil der Anforderung ab. Das System erlaubt eine schnelle Verfügbarkeit qualifizierter Technologien.

Die Unterscheidung lässt sich mit zweierlei Grundtypen beschreiben. Schraubbare sowie aufspreizbare bzw. steckbare Befestigungsklammern. Schraubbare Klammern lassen sich statt mit Schrauben auch mittels Bolzen befestigen. Die Schraub- bzw. Nietverbindungen stellen gegenüber Klammerlösungen einen erhöhten Aufwand dar.

Dagegen werden aufspreizbare Klammern lediglich aufgesteckt. Diese einfache und sehr schnelle Montage wird mittels Sonderwerkzeug durchgeführt.

Die Formgebung der Klammer garantiert das Verbleiben der Klammer in der richtigen Position. Eigene Klammerentwicklungen bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, die bedarfsbezogen Verwendung finden. In Sonderfällen werden Bauteile auch direkt an den Kühlkörper befestigt.

Mit Hilfe einer mechanisch integrierten Schraubensicherung wird die Haltbarkeit der Verbindung garantiert. Isolatoren sorgen für die elektrische Sicherheit, wo immer diese benötigt wird.

Die Montagefreundlichkeit ist eine wichtige Eigenschaft

Die Montagefreundlichkeit der Netzteilbaugruppe ist maßgeblich für eine effiziente und damit wirtschaftliche Produktion. Hier gilt: weniger ist oft mehr. Die meisten Kühlkörper sind so konzipiert, dass sie ohne zusätzliche Montageelemente wie beispielsweise Schrauben montierbar sind.

Bildergalerie

Erreicht wird das mittels eingepresster Einlöthilfe, sodass der Kühlkörper direkt auf der Lötwelle mit der Leiterplatte verbunden wird. Vorteil aufgelöteter Kühlkörper ist außerdem, dass diese elektrisch mit der Elektronik, insbesondere ruhendem Potenzial verbunden sind. Abschirmeffekte zur EMV-Minimierung kommen zudem den Elektronikentwicklern zugute.

In einer optimierten Produktion werden zur Vereinfachung der Montage die Kühlkörper-Applikationen vormontiert. D.h. das Kühlmedium wird ggf. mit der Thermo-Isolierfolie beklebt, anschließend werden die elektronischen Bauteile mittels der Befestigungslösungen angebracht. Diese Arbeit erfolgt an gesonderten Arbeitsplätzen. Vormontierte Kühlkörper-Baugruppen fließen danach in den Produktionsprozess ein.

Eine besondere Herausforderung ist das Design der Kühlkörper mit dem Ziel, den zur Verfügung stehenden Bauraum bestmöglich zu nutzen. Hierzu werden Kühlkörper optimal geformt, um theoretisch jede Lücke zwischen den elektrischen Bauteilen zu nutzen.

Die thermische Konvektion gilt es dabei stets zu berücksichtigen, ebenso die elektrische Sicherheit. Die Einbaulage des Netzteils ist hier ebenfalls von Wichtigkeit, damit die erwärmte Luft bestmöglich von dem Kühlkörper abfließen kann; somit wird ein Wärmestau vermieden.

Es finden zunehmend auch diskrete Lösungen Anwendung. Diskret heißt, man verwendet Montageplatten, Front- und Rückwände von Gehäusen, Gehäusedeckel und auch Kunststoffgehäuse, um die Wärme abzuführen.

Dabei werden die relevanten elektrischen Bauteile entweder direkt an den Gehäuseteilen befestigt oder man verwendet zusätzliche Montagelemente wie Wärmeleitbleche. Diese sind dann mit dem Gehäuse verschraubt oder mit Hilfe einer geeigneten Konstruktion an eine Fläche des Gehäuses gedrückt. So entstehen Kühllösungen ohne einen Kühlkörper im eigentlichen Sinne auf der Leiterplatte zu platzieren.

Im Entwicklungskonzept „Von der Idee zur Serie“ stehen die Anforderungen des Kunden am Anfang. Nach der Konzeptionierung der Elektronik entstehen die ersten Mechanikdaten mittels 3D-CAD-Software. In diese Arbeit fließen Berechnungen und Erfahrungswerte aus den internen Design-Vorgaben ein.

Nach Abschluss der Konstruktion gibt es von Musterlieferanten zügig Versuchsmuster im CNC-Verfahren. Mit diesen Mustern entstehen die ersten Prototypen. Zur nachfolgenden Verifizierung gehört die ausgiebige Klimamessung, welche die berechneten und simulierten Werte bestätigt. Nach Optimierungen kann je nach Komplexität des Netzteils die Beauftragung der Serienwerkzeuge für den Kühlkörper erfolgen.

* Marc Erdmann ist Ingenieur für Konstruktion und Entwicklung bei inpotron Schaltnetzteile, Hilzingen.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:43192245)