Große IGBT-Lastschaltkreise brauchen forcierte Entwärmung

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Gerd Kucera

Bild 1: Kompakte Miniaturlüfter-Aggregate bieten den Vorteil, dass sie direkt auf der Leiterkarte verbaut werden können.
Bild 1: Kompakte Miniaturlüfter-Aggregate bieten den Vorteil, dass sie direkt auf der Leiterkarte verbaut werden können. (Bild: Fischer Elektronik)

Ein wirksames Mittel im Wärme-Management ist die erzwungene Konvektion durch Lüfter. Geschickt mit Strangkühlkörpern kombiniert, ist sie für eine Vielzahl von Aufgaben die geeignete Kühllösung.

Zur Entwärmung von Leistungshalbleitern und leistungselektronischen Baugruppen stehen noch immer Kühlkörper für die freie Konvektion im Vordergrund. Solche Strangkühlkörper werden vorwiegend aus Aluminium im sogenannten Strangpressverfahren hergestellt und bieten ein gutes Verhältnis von Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen. Eine enorme Effizienzsteigerung erhält die natürliche Konvektion durch eine Lüfterunterstützung. Denn höhere thermische Verlustleistungen, bei denen die ausreichende Wärmeableitung durch freie Konvektion mit Hochleistungskühlkörpern nicht mehr gewährleistet ist, erfordern eine forcierte Entwärmung durch Lüfteraggregate (erzwungene Konvektion).

Im Aufbau und in der Geometrie ist das Lüfteraggregat entsprechend dem eingesetzten Lüftermotor abgestimmt (Volumenstrom, Staudruck, Wärmetauscherflächen, innere Struktur). Doch Lösungen mit Lüftermotor werden vielfach seitens der Anwender abgelehnt, da hier die Zuverlässigkeit des Lüftermotors als limitierender Faktor angesehen wird.

Im Gegensatz zur natürlichen Konvektion wird bei der forcierten Entwärmung der mittels Ventilator erzeugte Abluftstrom durch eine Wärmetauschstruktur geführt. Damit funktioniert die Entwärmung mit dem Lüfteraggregat nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung.

Die Produktgruppe der verschiedenartigen luftunterstützten Aggregate beinhaltet je nach Leistungsklasse und Anwendung unter anderem Segment-, Kühlkörper-, Miniatur- und Hochleistungs-Lüfteraggregate. Lüfteraggregate in Miniaturform (Bild 1) sind aufgrund ihrer Komplexität sehr schwierig im Aluminiumstrang-Pressverfahren herzustellen. Die Aggregate bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen, welche als Wärmetauscherfläche zum Rippentunnel dienen. Die auf die verwendeten Lüftermotoren abgestimmte Geometrie, gewährleistet auf kleinstem Raum einen sehr guten Wärmeübergang und eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wärmeableitung.

Auch die Rippen-Geometrie liefert mehr Performance

Einen weiteren Mehrwert für den Anwender bietet der kompakte Aufbau der Miniaturlüfteraggregate, wodurch diese direkt auf der Leiterkarte verbaut werden können. Im Profil integrierte Nutgeometrien ermöglichen gleichfalls eine direkte Bauteilmontage an dem Lüfteraggregat mittels besonderer Einrast-Transistorhaltefedern. Speziell für eine sehr effiziente Entwärmung von Hochleistungshalbleitern wie IGBTs, IGCTs und GTOs eignen sich besonders Hochleistungs-Lüfteraggregate (Bild 2). Diese sind für die Wärmeableitung höherer Verlustleistungen ausgelegt und erfüllen die Forderung nach größeren Halbleitermontageflächen. Die Basis dieser Aggregate bilden sogenannte Hohlrippenprofile, die eine größere Oberfläche dadurch erreichen, dass die innere Struktur des Lüfteraggregates aus Hohlrippen besteht.

Diese Hohlrippen werden in ein extrudiertes Basisprofil, mit Hilfe spezieller Werkzeuge, formschlüssig, mechanisch und wärmeleitend verpresst. Einseitige oder auch zweiseitige dicke Basisplatten sorgen für gute Wärmespreizung und sind auch gleichzeitig die Montageflächen für die Bauteile. Die Hohlrippen besitzen darüber hinaus eine kannelierte, gewellte Oberflächenstruktur, wodurch zusätzlich eine weitere Leistungssteigerung erzielt wird.

Bei normalen Glattrippen und erzwungener Konvektion sind die zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft relativ gering, wodurch die einstellende laminare Luftströmung nicht ausreicht, um die Wärme an die Umgebung abzuführen. Kannelierte Oberflächen, in diesem Fall bei der Hohlrippengeometrie, bewirken eine mehr turbulente Strömung (Verwirbelung) und ergeben in Summe einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zu der vorbei strömenden Luft. In punkto Wärmeabfuhr wird durch die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz eine sehr gute Wirkungsgradverbesserung erzielt.

Nachteilig ist durch die erhöhte Turbulenz im Lüfteraggregat ein erhöhter Staudruck, welcher der durchströmenden Luft entgegenwirkt. Dieser wiederrum fordert die Hersteller von Lüftermotoren, leistungsstarke und effiziente Ventilatoren zu entwickeln, welche diesem Staudruck entgegenwirken und die produzierte Luftmenge über die gesamte Länge des Lüfteraggregates transportieren. Leistungsstarke und auf die Hohlrippenstruktur optimierte Axial-Lüftermotoren leisten in diesem Fall eine effektive Abhilfe.

Axial bedeutet, dass die Luft von hinten axial angesaugt und axial in Richtung der Wärmetauschfläche (Rippentunnel) ausgeblasen wird. Der Vorteil dieser Lüftermotoren ist ihr hoher Volumenstrom bei mittlerem Druck, der kompakte Aufbau und der relativ günstige Preis.

Weitere Leistungssteigerungen auf Grundlage der Hohlrippenprofile sind durch die Verwendung großvolumiger Radiallüftermotoren gegeben (Bild 3). Bei einem Radiallüftermotor wird die Luft seitlich radial angesaugt, durch die Lüfterschaufelgeometrie um neunzig Grad umgelenkt und in Richtung der Wärmetauschstruktur des Hohlrippenprofils ausgeleitet.

Hochleistungslüfteraggregate, die mittels Radiallüftermotoren betrieben werden, können sehr großformatig sein und besonders auch in der Aggregat-Länge erheblich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen. Je nach Lüfteraggregat-Abmessungen erzielen Luftfördermengen von bis zu 1400 m³/h kleinste Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.

Eine weitere Besonderheit in der Produktgruppe der Lüfteraggregate sind lamellenartige Basisprofile aus Aluminium, die in einem speziellen Herstellungsverfahren produziert werden. Die engmaschige Lamellenstruktur wird häufig in Verbindung mit Diagonallüftermotoren eingesetzt. Die Luft bei diesem Lüftermotorenprinzip wird ebenfalls axial angesaugt, aber eine konische Lüfterrad- und Gehäuseform verursacht eine höhere Verdichtung der angesaugten Frischluft. Hierdurch ist neben einem höheren Volumenstrom gleichfalls ein höherer Druckaufbau gegeben, wodurch der Einsatz von Hochleistungslüfteraggregaten mit einer deutlich dichteren und damit größeren Wärmetauschfläche ermöglicht wird.

Die verwendeten Grundprofile bestehen aus einem aus Einzelteilen zusammengesetzten Tubus. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten werden mit einer wellenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke sind zu Montageplatten zusammengefügt, sodass abschließend alle Komponenten miteinander verlötet werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die innere Wärmetauschstruktur mit sämtlichen Steg- und Montageplatten mechanisch und wärmetechnisch optimal verbunden sind. Die über die Halbleiter-Montageflächen aufgenommene Wärme wird über die einzelnen Stegplatten an die Wabenstruktur weitergeleitet und letztendlich an die durchströmende Luft abgegeben.

Das höhere Geräuschniveau der Hochleistungs-Lüfteraggregaten kann in vielen Fällen durch geeignete Maßnahmen (beispielsweise Vorkammern, Drehzahlsteuerung, Gestaltung der Einbauumgebung etc.) reduziert werden.

An die Verlustleistung angepasste Kühlkonzepte

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19.03.18 - Packungsdichten und Leistungen moderner Power Devices verlangen ein anspruchsvolles wie wirksames thermisches Management. Was ist dazu von Bedeutung? Wie wirkungsvoll ist welches Konzept? lesen

* Dipl. Physik. Ing. Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid.

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