Wärmemanagement

Integrierte Kühlkörper für die Leistungselektronik optimieren

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Grundsätzliches Vorgehen beim Gerätedesign

Um eine deutliche Überdimensionierung oder die Zerstörung aufgrund zu hoher Temperaturen zu vermeiden, ist beim Entwurf elektrischer oder mechatronischer Geräte die Temperatur an den kritischen Stellen ausreichend genau abzuschätzen. Ein hochintegrierter Antrieb lässt sich aus thermischer Sicht in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Anforderungen einteilen: Den Bereich der elektrischen Maschine und den Bereich der Leistungselektronik.

Mit den nach der Stand-der-Technik üblichen Isolierstoffklassen für Lackdrähte und den verfügbaren Magnetmaterialien sind die in hochintegrierten Antrieben zu erwartenden Temperaturen für elektrische Maschinen beherrschbar. Anders sieht es bei der integrierten Elektronik aus. Ihre Kühlung ist eine Herausforderung. Am kritischsten ist dabei die Komponente, welche zuerst ihre zulässige Betriebstemperatur überschreitet oder aufgrund temperaturbedingter Alterungsmechanismen ausfällt.

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In Bild 2 rechts ist ein Schnitt durch ein intelligentes Leistungshalbleitermodul für hochintegrierte Antriebe aus dem BMBF Verbundforschungsprojekt EMiLE (Elektro Motor integrierte Leistungs-Elektronik) skizziert; dieses wird als SST (Smart Stator Tooth) Modul bezeichnet und beinhaltet neben den Leistungshalbleitern z.B. auch Sensorik, Gatetreiber und ein FPGA zur Signalverarbeitung.

Die „weiß“ dargestellten Elemente sind Wärmequellen. FPGAs besitzen Verlustleistungen von ca. 0,5 – 2 Watt; ihre maximale Betriebstemperatur ist typenabhängig auf ca. 100 bis 125 °C begrenzt. Die skizzierten Leistungshalbleiter verursachen abhängig vom Betriebspunkt bis zu 100 W Verluste. Sie können mit Sperrschichttemperaturen von 150 °C und mehr betrieben werden.

Thermisches Ersatzschaltbild ableiten

In der Praxis steht der Ingenieur vor der Herausforderung, aus Konstruktionsdaten ein thermisches Ersatzschaltbild abzuleiten, die Verluste zu berechnen und mit beiden die Temperatur in den potenziell kritischen Bauteilen abzuschätzen.

In Bild 3 ist ein Ausschnitt des Ersatzschaltbildes der Leistungselektronik des in Bild 1 links dargestellten Antriebes gezeigt. Es gliedert sich in drei Teile:

  • Leistungshalbleiter und DCB (Direct Copper Bond) sind rot eingerahmt. Die Leistungshalbleiter sind als Wärmequellen dargestellt. Die einzelnen Schichten des DCBs als thermische Widerstände und Kapazitäten.
  • Blau eingerahmt ist das auf Bild 2 links detaillierter dargestellte Ersatzschaltbild des Schirmblechs, welches das FPGA entwärmt.
  • Das thermische Ersatzschaltbild des in das Motorgehäuse integrierten Kühlkörpers ist grün umrandet.

Die rot und blau eingerahmten Ersatzschaltbilder wurden mit auf den CAD Daten aufbauenden thermischen FEM Simulationen ermittelt. Die Verlustleistungen wurden mit Hilfe linearisierter Verlustmodelle berechnet. Dabei wird deutlich, was aus Bild 2 schon zu erkennen ist: Trotz seiner deutlich geringeren Verlustleistung ist das FPGA thermisch kritischer als die Leistungshalbleiter. Es begrenzt die an der Kühlkörperoberfläche zulässige Temperatur auf ca. 80 °C.

Mit diesem Wert, den Verlustleistungen im Nennpunkt und der maximal zulässigen Umgebungstemperatur wurde die „Zielgröße“ der thermischen Optimierung, der thermische Kühlkörperwiderstand Rth,KK auf 0,3 K/W abgeschätzt. Hiermit kann die eigentliche Arbeit beginnen, die Optimierung der Kühlkörpergeometrie und der Luftführung.

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