Wärmemanagement Integrierte Kühlkörper für die Leistungselektronik optimieren

Autor / Redakteur: Jan Wettlaufer * / Johann Wiesböck

Wechselrichter und hochintegrierte Antriebe können durch funktionale Integration kompakter gestaltet werden. Hierfür ist es vorteilhaft die Kühlkörper in die Struktur der Gesamtkonstruktion zu integrieren.

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Bild 1: Hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt)
Bild 1: Hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt)
(Bild: Bild: Lenze)

Die Optimierung von Standard-Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte ist Stand-der-Technik. In diesem Artikel werden drei Wege verglichen, wie beliebig geformte Kühlkörper-Geometrien optimiert werden. Durch eine Kombination von Rapid-Prototyping-Technologien, Messungen und Simulationen ist eine schnelle, zielgerichtete und wirtschaftliche Optimierung möglich. Diese führt sowohl zu einer höheren Leistungsdichte, als auch durch niedrigere Temperaturen zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der optimierten Geräte.

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben „EMiLE“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 16EMO0007 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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Die Optimierung von konventionellen Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte, wie sie beispielsweise in Schaltschrankumrichtern zum Einsatz kommen, ist Stand der Technik. Der thermische Widerstand dieser Kühlkörper kann mithilfe analytischer Formeln, Datenblattangaben oder kostenlos verfügbarer Auslegungssoftware abgeschätzt werden. Die thermischen Grenzen konventioneller Kühlkörper mit senkrecht zur Bodenplatte angeordneten Rippen sind relativ gut bekannt, z.B. [1] oder [2]. Integrierte Kühlkörper erfüllen jedoch nicht die Annahmen, die diesen Untersuchungen zugrunde liegen. Aufgrund der komplexen Geometrien ist es praktisch nicht möglich analytische Ansätze anzuwenden.

Bei kompakten leistungselektronischen Geräten ist die mögliche Dauerleistung meist thermisch bedingt; der limitierende Faktor ist die Kühlung der Leistungshalbleiter. In [3] und [4] ist ein neuartiges Integrationskonzept für besonders kompakte Antriebe mit Luftkühlung beschrieben. Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist dabei der Kühlkörper der Leistungselektronik (orange eingefärbt) vollständig in das Motorgehäuse integriert. In diesem Artikel wird dargelegt, wie der thermische Widerstand solch integrierter Kühlkörper ingenieurmäßig optimiert werden kann.

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.

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.

Möglichkeiten zur thermischen Optimierung

Durch einen Radiallüfter wird die Kühlluft beschleunigt und über die Lüfterhaube auf den integrierten Kühlkörper geleitet. Dahinter wird mit ihr die elektrische Maschine gekühlt, bevor sie am vorderen Lagerschild wieder aus dem Antrieb austritt. Der thermische Kühlkörperwiderstand wird im Wesentlichen bestimmt durch:

  • Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit: Eine möglichst gleichmäßige Verteilung über die einzelnen Kühlrippen ist hierbei das Ziel, denn nur von Luft durchströmte Kühlrippen können Wärme abführen.
  • Art der Strömung: Mit turbulenten Strömungen können höhere Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden als mit laminaren, sie sind somit anzustreben.
  • Oberfläche und Form der Kühlrippen: Durch eine feinere Verrippung entsteht eine größere Oberfläche, jedoch entsteht auch ein höherer Strömungswiderstand. Im Zweifelsfall sollte die Optimierung mit der feinsten Verrippung begonnen werden, die fertigungstechnisch möglich ist.

Bild 4 zeigt drei mögliche Wege (A, B und C) zur Ermittlung des thermischen Kühlkörper-Widerstandes R_(th,KK). Doch wie geeignet sind diese Wege und welche Probleme lauern bei ihrer Durchführung?

Weg A: 3D-Strömungssimulation: Im Bereich der Leistungselektronik verbreitete 2 ½ D CFD (computational fluid dynamics, dt. numerische Strömungsmechanik) Software mit automatisierter, strukturierter Vernetzung (z.B. ANSYS ICEPak, Cradle HeatDesigner oder Mentor Graphics FloTHERM) ist zur Optimierung von planaren Geometrien (z.B. bestückte Leiterkarten) konzipiert. Die komplexe Luftführung der hier untersuchten Antriebe konnte nicht erfolgreich nachgebildet werden. Hierzu wäre eine 3D Strömungssimulation mit unstrukturierter Vernetzung erforderlich, welche ein manuell vorbereitetes (vernetztes) Modell und eine hohe Rechenleistung erfordern.

Weg B: indirekte Messung: Anstatt die Strömung zu simulieren kann sie auch an einer Attrappe gemessen werden. Dazu wird das Gehäuse des hochintegrierten Antriebes aufgebaut, siehe Bild 5 oben links. Dabei ist nur der Lüfter funktional. Der orange dargestellte Kühlkörper stammt aus dem 3D-Drucker. Hierbei ist eine glatte Oberfläche wichtig, wodurch Pulverdrucker (Selektives Laser Sintern) eher geeignet sind als Extrusionsdrucker. Mit einer Hitzkopfsonde wurde die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und hierüber die Wärmeübergangskoeffizienten der Kühlrippen analytisch berechnet. Die hierfür notwendigen Formeln wurden der einschlägigen Fachliteratur entnommen [5], [6] und [7]. Hiermit war die Basis für die nachfolgend durchgeführte thermische FEM Simulation geschaffen.

Weg C: Direkte Messung: Konnte für Weg B ein Kühlkörper aus dem 3D-Drucker verwendet werden, so ist bei Weg C ein funktionaler Kühlkörper notwendig. Dieser ist aus Vollmaterial herzustellen. Anstatt der Strömungsgeschwindigkeit werden jetzt stationäre Temperaturen gemessen. Die Leistungshalbleiter wurden durch Heizwiderstände substituiert, da ihre Heizleistung exakt reguliert werden kann und zum Zeitpunkt der Versuche noch keine funktionsfähige Leistungselektronik existierte.

Vergleich Simulation, indirekte und direkte Messung

3D-Strömungssimulationen (Weg A) eignen sich zur Untersuchung von Strömungen an komplexen Geometrien. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie Strömungen visualisieren und somit für den Entwickler verständlich werden lassen. Mit parametrierbar aufgebauten Geometrien können Parameterstudien automatisiert durchgeführt werden, was eine Optimierung unter gegebenen Randbedingungen vereinfacht.

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Vergleich Simulation, indirekte und direkte Messung

Die wesentlichen Bewertungskriterien, um die Eignung der drei Wege A, B und C zu beurteilen, sind:

1. Initiale Kosten: Sie fallen an, bevor die erste Simulation oder Messung durchgeführt werden kann. In ihnen sind die Kosten für Softwarelizenzen, Prototypen und Messequipment enthalten. Je nach Ausgangslage ist auch die Qualifizierung von Mitarbeitern zu berücksichtigen.

2. Initialer Aufwand: Er beschreibt den Umfang der Arbeiten, um Simulationen vorzubereiten oder Versuche aufzubauen.

3. Fehlerrisiko: Damit ist gemeint, dass der Ingenieur ein falsches Ergebnis erhält, dieses aber nicht als ein solches einordnet.

4. Aufwand pro Versuch: Arbeitsaufwand für einen Versuch, also einen Simulationsdurchlauf oder die Erfassung eines Messwertes. Dies hat wesentlichen Einfluss darauf, wie lange ein Iterationsschritt der thermischen Optimierung dauert.

5. Aufwand Parameterstudie: Besonders durch Simulationen mit parametrierbaren Modellen kann der Aufwand für Parameterstudien gesenkt werden. Wohingegen bei Messungen jeweils Teile des Aufbaus geändert werden müssen und Parameterstudien dadurch aufwendiger sind.

6. Erkenntnisgewinn: Je höher der Erkenntnisgewinn aus einer Messung oder einer Simulation ist, desto weniger Iterationsschritte sind nötig, um zu einem guten Ergebnis zu gelangen.

Für teure und komplexe Produkte (Rotorblätter von Windkraftanlagen, Turbinen o.Ä.) sind die hohen initialen Aufwände und Kosten vertretbar, für eine relativ einfache und preisgünstig herzustellende Komponente wie einen integrierten Kühlkörper jedoch unverhältnismäßig. Um die initialen Aufwände und Kosten zu umgehen, sowie das Fehlerrisiko zu senken, besteht die Möglichkeit Simulationen durch entsprechend qualifizierte Dienstleister durchführen zu lassen.

Eine direkte Messung (Weg C) erscheint auf den ersten Blick einfach und zuverlässig. Bei den durchgeführten Messungen hat sich aber gezeigt, dass insbesondere die richtige Befestigung der Heizwiderstände und die Temperaturmessung in der Praxis nicht trivial sind. Zudem ist der zeitliche Aufwand für Messreihen hoch, denn für jeden Messpunkt ist der stationäre Zustand abzuwarten. Pro Arbeitstag können so weniger als zehn Messpunkte gemessen werden. Sollen unterschiedliche Kühlkörpergeometrien verglichen werden, so ist jeweils ein neuer funktionaler Kühlkörper herzustellen. Eine solche Einzelstückfertigung über Fräs- und Senkerodierprozesse führt zu hohen Kosten.

Für die indirekte Messung (Weg B) wird kein funktionaler Kühlkörper benötigt. Eine Plastikattrappe mit glatter Oberfläche aus dem 3D-Drucker ist ausreichend. Diese ist schnell und kostengünstig direkt aus CAD-Daten herstellbar. Der Aufwand für Parameterstudien ist somit deutlich geringer als bei der direkten Messung. Wie auf Bild 5 dargestellt wird deutlich, welche Kühlrippen schlecht durchströmt (x = 75 … 175 mm) und welcher Bereich des Kühlkörpers (roter Bereich in der Mitte) besonders heiß wird. Hierdurch ist der Erkenntnisgewinn deutlich größer als bei der direkten Messung.

Tabelle: Vergleich der Wege A, B und C zur Auslegung der Kühlkörpergeometrie
Tabelle: Vergleich der Wege A, B und C zur Auslegung der Kühlkörpergeometrie
(Bild: Lenze)

Thermische Optimierungen haben hohes Potenzial, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit elektrischer und mechatronischer Geräte zu erhöhen. So hat die Optimierung von Kühlkörpergeometrie und Luftführung im gezeigten Beispiel zu einer Reduzierung des thermischen Kühlkörperwiderstandes um 70% geführt.

Dies bedeutet in erster Näherung 140% mehr Dauerleistung bei gleichen Abmessungen. Der aufgezeigte Weg B ist ein pragmatischer Ansatz, beliebig geformte Kühlkörper schneller und kostengünstiger zu optimieren als mit den bisher bekannten Wegen A und C – siehe Tabelle. Hierdurch werden bisher ungenutzte thermische Potenziale nutzbar.

Tipp der Redaktion: Der Autor dieses Artikels, Jan Wettlaufer, ist Referent der Cooling-Days 2016, die vom 25. bis 27. Oktober im Vogel Convention Center in Würzburg stattfinden. Sein Vortragsthema lautet „Integrierte Kühlkörper für die Leistungselektronik optimieren“. Alles Info zu den Cooling-Days finden sie hier: www.cooling-days.de. Weitere Infos zu Lenze SE finden Sie unter: www.Lenze.com.

Quellen

[1] A. Shah, B. G. Sammakia, H. Srihari and K. Ramakrishna, "A numerical study of the thermal performance of an impingement heat sink-fin shape optimization," in IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 27, no. 4, pp. 710-717, Dec. 2004.

[2] M. F. Holahan: "Fins, fans, and form: volumetric limits to air-side heatsink performance," in IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 28, no. 2, pp. 255-262, June 2005.

[3] J. Wettlaufer; H. Borcherding; F. Klute; T. Jonsky: "A compact servo drive: Five phase, air cooled, with highly integrated inverter for industrial use," in Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), 2015 17th European Conference on, vol., no., pp.1-10, 8-10 Sept. 2015

[4] J. Wettlaufer; T. Jonsky; H. Borcherding; J. Wilde; P. Lübke; R. Hernandez; F. Klute: „A novel servo drive: air-cooled, multi-phase permanent-magnet synchronous machine with highly integrated power electronics”. EEMODS 2015; energy efficiency in motor driven systems, Helsinki, 15-17 Sep. 2015

[5] P. Böckh; T. Wetzel: „Wärmeübertragung: Grundlage und Praxis“. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011

[6] J.P. Holman: „Heat Transfer“. Mc Graw-Hill book co., tenth edition, Chapter 6

[7] V. Gnielinski: “VDI Wärmeatlas ” Kapitel 4 und 6

[8] J. Wettlaufer: Motorintegrierte Leistungs- und Regelungselektronik: ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2015: http://www.elektronikpraxis.vogel.de/leistungselektronik/articles/511682/

* Jan Wettlaufer ist Mitarbeiter von Lenze SE und forscht daran Leistungselektronik in das luftgekühlte Gehäuse elektrischer Motoren zu integrieren.

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