Leistungselektronik flüssig kühlen und Wärmepfad präzise messen

| Redakteur: Johann Wiesböck

Schaubild zur Flüssigkühlung und zugehörige Strukturfunktion
Schaubild zur Flüssigkühlung und zugehörige Strukturfunktion (Bild: ZFW)

Eine neue Messtechnik am ZFW Stuttgart bietet die Möglichkeit, die Flüssigkeitskühlung einer Leistungselektronik präzise zu charakterisieren. Das Verfahren erfasst alle thermischen Widerstände und Wärmekapazitäten der einzelnen Schichten im Wärmepfad.

Eine Luftströmung reicht in der Leistungselektronik oft nicht aus, um die anfallende Verlustwärme ausreichend abzuführen. Flüssigkeitskühlung ist wesentlich wirkungsvoller, erfordert allerdings eine aufwendigere Infrastruktur. Als Kühlmedien kommen standardmäßig Wasser-Glykol-Gemische zum Einsatz. Auch Öle werden verwendet, allerdings kommen ihre für die Wärmeübertragung entscheidenden Stoffwerte nicht an die hervorragenden Werte von Wasser heran. Entscheidend für eine optimale Wärmeübertragung ist in jedem Fall, die Kühlkörperstruktur im Strömungskanal unter den gegebenen Druckverhältnissen für das jeweilige Fluid zu optimieren.

Eine neue Messtechnik am ZFW Stuttgart bietet die Möglichkeit, die Flüssigkeitskühlung einer Leistungselektronik präzise zu charakterisieren. Dazu werden der Massenstrom, die Druckverhältnisse und die Temperaturen der Strömung erfasst. Die Messunsicherheiten für diese Werte liegen typischerweise weit unter 0,5%. Bei der Messung wird der gesamte Wärmepfad von der Junction des Leistungshalbleiters bis zur Kühlflüssigkeit betrachtet: Mit dem thermischen Transientenverfahren wird der Halbleiter mit einer Sprungfunktion beaufschlagt und die Sprungantwort gemessen.

Vollständige Information über thermische Widerstände und Wärmekapazitäten

Durch Kalibrieren ergibt sich die thermische Antwort, die Zth-Kurve. Diese beinhaltet die vollständige Information über die thermischen Widerstände und Wärmekapazitäten der einzelnen Schichten im Wärmepfad. Diese lassen sich bestimmen, in dem der Wärmepfad mit einem einfachen RC-Modell (Cauer-Modell) abgebildet wird. Durch mathematische Umformungen werden aus der Zth-Kurve die thermischen Widerstände und Wärmekapazitäten der einzelnen Schichten berechnet [1,2].

Neben dem Wärmetransport im Leistungshalbleiter interessiert besonders der thermische Widerstand Rth,α zwischen der Kühlkörperoberfläche und dem Kühlmedium. Es gilt Rth,α = 1/(α x A) mit dem Wärmeübergangskoeffizient α in W/(m2K) und der wärmeübertragenden Fläche A des Kühlkörpers. Der Wärmeübergangskoeffizient α hängt von den Stoffeigenschaften der Kühlflüssigkeit, den geometrischen Verhältnissen bzw. der Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsform ab.

Geschicktes Kühlkörperdesign vergrößert Wärmeübergangskoeffizient

Mit zunehmender Geschwindigkeit und Verwirbelung der Strömung wird α größer und der thermische Widerstand zwischen der Kühlkörperoberfläche und der Kühlflüssigkeit sinkt. Durch ein geschicktes Kühlkörperdesign lassen sich in vielen Fällen die wärmeübertragende Flache und der Wärmeübergangskoeffizient vergrößern, ohne dass der Druckabfall der Strömung zunimmt.

Das Bild 1 zeigt beispielhaft einen IGBT-Aufbau mit Flussigkeitskühler, die gemessene Zth-Kurve und die daraus berechnete Strukturfunktion. Gemessen wurde beim Massenstrom (Wasser) von 5, 10 und 15 kg/min. Mit zunehmendem Massenstrom wird der thermische Widerstand kleiner.

Die neue Messtechnik ist für Temperaturen von -40 °C bis 80 °C und einen Massenstrom von 0 bis 20 kg/min ausgelegt. Der wesentliche Vorteil der neuen Technik gegenüber herkömmlichen Methoden ist, dass die Leistungselektronik (z.B. IGBTs) mit ihrer Kühlung applikationsnah im originalen Aufbau präzise gemessen wird – als Grundlage für ein optimales, kosteneffektives Wärmemanagement.

Innovative Fluidkühlung Unter dem Motto „Thermomanagement 4.0 – Innovative Fluidkühlung“ veranstaltet das ZFW Stuttgart in Kooperation mit ELEKTRONIKPRAXIS am 25. Juni 2019 eine Fachtagung im Haus der Wirtschaft. Die wesentlichen Inhalte sind: Wärmemanagement elektrischer Achsantriebe, Möglichkeiten von Kühlkörper, Flüssigkeitskühlung von Leistungselektronik und Messung thermischer Pfade. Das komplette Tagungsprogramm finden Sie hier.

Thermomanagement 4.0 – Tagung für Innovative Fluidkühlung

Die hier vorgestellte Messtechnik für flüssiggekühlte Leistungselektronik wird am 25. Juni in Rahmen der ZFW-Tagung „Thermomanagement 4.0 – Innovative Fluidkühlung“ in Stuttgart im Haus der Wirtschaft vorgestellt. Die wesentlichen Inhalte der Tagung sind:

  • Wärmemanagement elektrischer Achsantriebe
  • Kühlkörper – Möglichkeiten und Grenzen
  • Leistungselektronik flüssig gekühlt – optimale Kühlung bei minimalem Druckverlust
  • Messung thermischer Pfade

Folgende Referenten wirken mit:

  • Klara Hauptmann, Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG
  • Kathrin Kambeck, Formula Student Team DHBW Engineering Stuttgart
  • Ann-Kathrin Sommer, MAHLE Behr GmbH & Co. KG
  • Julia Mayer, ZFW Stuttgart
  • Jan Retzlaff, Alfred Kärcher SE & Co.
  • Steffen Bedenik, ZFW Stuttgart
  • Andreas Griesinger, Duale Hochschule Baden-Württemberg (DHBW)

Prof. Dr. Andreas Griesinger, ZFW Stuttgart: „Diese Technik ermöglicht eine applikationsnahe und präzise Messung der Leistungselektronik mit ihrer Kühlung.“
Prof. Dr. Andreas Griesinger, ZFW Stuttgart: „Diese Technik ermöglicht eine applikationsnahe und präzise Messung der Leistungselektronik mit ihrer Kühlung.“ (Bild: ZFW)

Im Anschluss an die Tagung ist eine Besichtigung der Wärmelabore der DHBW Stuttgart möglich. Das komplette Tagungsprogramm „Thermomanagement 4.0“ finden Sie unter www.zfw-stuttgart.de/veranstaltungen/zfw-tagung.

Literaturhinweise:[1] JEDEC STANDARD JESD51-14 (2010) Transient Dual Interface Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Through a Single Path, JEDEC Solid State Technology Association.[2] Griesinger A (2019) Wärmemanagement in der Elektronik, Theorie und Praxis, Springer Vieweg.
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