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Messtechnik charakterisiert Flüssigkühlung des Power Device

Redakteur: Gerd Kucera

Eine Messtechnik am ZFW Stuttgart kann die Flüssigkeitskühlung einer Leistungselektronik präzise charakterisieren. Das Verfahren erfasst alle Widerstände und Wärmekapazitäten.

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Bild 1: IGBT-Aufbau mit Flüssigkeitskühler und gemessener Zth-Kurve mit Strukturfunktion.
Bild 1: IGBT-Aufbau mit Flüssigkeitskühler und gemessener Zth-Kurve mit Strukturfunktion.
(Bild: ZFW Stuttgart)

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.

Die 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 Prozent“, konstatiert Prof. Andreas Griesinger, Gründer des Zentrums für Wärmemanagement, „die Messung betrachtet den gesamten Wärmepfad von der Junction des Leistungshalbleiters bis zur Kühlflüssigkeit. Mit dem thermischen Transientenverfahren wird der Halbleiter mit einer Sprungfunktion beaufschlagt und die Sprungantwort gemessen.“

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.

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.

Mit zunehmender Geschwindigkeit und Verwirbelung der Strömung wird α größer und der thermische Widerstand zwischen der Kühlkörperoberfläche und der Kühlflüssigkeit sinkt. Durch einen geschickten Kühlkörper-Entwurf lassen sich in vielen Fällen die wärmeübertragende Flache und der Wärmeübergangskoeffizient vergrößern, ohne dass der Druckabfall der Strömung zunimmt. Der wesentliche Vorteil der neuen Technik gegenüber herkömmlichen Methoden ist, dass die Leistungselektronik (beispielsweise IGBTs) mit ihrer Kühlung applikationsnah im originalen Aufbau präzise gemessen wird – als Grundlage für ein optimales, kosteneffektives Wärmemanagement.

Die Ausfallursachen sind in der Regel Temperaturprobleme

Statistisch gesehen ist die Temperatur bei weit über 50% der Elektronik die Ausfallursache. Dazu gehören die Überschreitung der maximal erlaubten Temperatur und die Belastung durch Temperaturwechsel. Danach kommen bei den Ausfallursachen mechanische Einflüsse, beispielsweise durch Vibration, Schädigung durch Feuchte oder durch Staub. Interessant wird es, wenn man sich die Wechselwirkung der Schadensmechanismen näher betrachtet, die durch diese Einwirkungen zustande kommen.

In Fragen der Lebensdaueranalyse löst das ZFW in Stuttgart unter der Leitung Griesingers seit nunmehr 17 Jahren erfolgreich komplexe Aufgaben aus Industrie und Forschung. Ein Schwerpunkt der Arbeiten im Zentrum für Wärme-Management in Stuttgart ist, mögliche Zustände einer Elektronik schon in einem frühen Entwicklungsstadium vorherzusagen, zu optimieren und letztlich die Lebensdauer auf einen gewünschten Wert zu bringen.

Bild 2: Die Flüssigkühlung und zugehörige Strukturfunktion
Bild 2: Die Flüssigkühlung und zugehörige Strukturfunktion
(Bild: ZFW Stuttgart)

Ein optimiertes Wärmemanagement setzt voraus, dass die Wärmepfade von der Quelle bis zur Umgebung bekannt sind. Dazu gehören die geometrischen Verhältnisse, die thermischen Widerstände und die Wärmekapazitäten der einzelnen Schichten. Zwischen den Festkörperoberflächen bestimmen die thermischen Kontaktwiderstände den Wärmetransport und vom Festkörper an das umgebenden Fluid die Wärmeübergangskoeffizienten. Mit einer thermischen Analyse wird der größte Widerstand und damit der Flaschenhals im Wärmepfad identifiziert. Dafür steht eine Vielzahl von Messverfahren zur Verfügung.

Alle Methoden haben gemeinsam, ähnlich der Analyse mechanischer oder elektrischer Systeme, dass die Probe bei der Messung mit einem Temperatur- oder Wärmestromsignal beaufschlagt und die thermische Antwort gemessen wird. Die Anregung erfolgt in der Regel über einen Puls, eine Sprungfunktion oder eine periodische Schwingung. Die thermische Antwort wird berechnet. Aus dem Vergleich der gemessenen mit der berechneten thermischen Antwort ergibt sich die gesuchte thermische Eigenschaft des Systems.

Lehrbuch über das Wärme- Management in der Elektronik

Bild 3: Aufbau der Flüssigkühlung mit Temperaturverlauf.
Bild 3: Aufbau der Flüssigkühlung mit Temperaturverlauf.
(Bild: ZFW Stuttgart)

Im Lehrbuch „Wärmemanagement in der Elektronik“ zeigt Prof. Andreas Griesinger auf rund 300 Seiten die physikalischen Grundlagen dazu, stellt aktuelle thermische Analysemethoden vor und gibt einen Überblick über passive und aktive Möglichkeiten des Wärme-Managements. In 17 Kapiteln, jedes thematisch fein untergliedert, geht es nach der einer kurzen Hinführung zur Materie sogleich in die thematische Tiefe. Eine Fülle von Bildern und Diagrammen ergänzen das Geschriebene. Augenfällig sind Vielzahl und Ausführlichkeit der mathematischen Erklärungen in den einzelnen Kapiteln. Herleitungen der anzuwendenden Mathematik und berechnete Lösungsschritte ergänzen diese. Jedes Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung des Gelernten, ergänzt um eine Liste mit Literaturhinweisen.

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