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Wärme-Management Integrierte Kühlkörper für Leistungshalbleiter optimieren

| Autor/ Redakteur: Jan Wettlaufer * / Gerd Kucera

Die Optimierung von Standard-Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte ist gängige Technik. In diesem Artikel werden drei Wege verglichen, wie sich beliebig geformte Kühlkörper-Geometrien optimieren lassen.

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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: Lenze SE)

Wechselrichter und hochintegrierte Antriebe können durch funktionale Integration deutlich kompakter gestaltet werden. Hierfür ist es vorteilhaft, die Kühlkörper der Leistungshalbleiter in die Struktur der Gesamtkonstruktion zu integrieren. Eine effektive Kühlung ist hauptsächlich abhängig von einer verteilten Anordnung der Wärmequellen, einer guten Führung der Kühlluft und einer geeigneten Kühlkörpergeometrie.

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.

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 Bild 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 Geräte-Entwurf

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.

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Mit den nach 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-Modul (SST; Smart Stator Tooth) bezeichnet und beinhaltet neben den Leistungshalbleitern beispielsweise auch Sensorik, Gate-Treiber und ein FPGA zur Signalverarbeitung.

Die „weiß“ dargestellten Elemente sind Wärmequellen. FPGAs besitzen Verlustleistungen von etwa 0,5 bis 2 W; 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.

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.

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