Entwärmung Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik

Redakteur: Kristin Rinortner

In Anwendungen mit begrenztem Bauraum bieten Stiftkühlkörper Vorteile gegenüber Strangpresskühlkörpern. Jetzt gibt es Standard-Varianten für die Leistungselektronik mit hoher Verlustleistung.

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Stiftkühlkörper: Sorgen für eine Wärmeleitung bis zu 236 W/mK
Stiftkühlkörper: Sorgen für eine Wärmeleitung bis zu 236 W/mK
(Bild: Alutronic Kühlkörper)

Der Bauraum für die sichere Entwärmung von IGBTs, Endstufen, MOSFETs, Hochleistungs-LEDs und ähnlicher Leistungselektronik ist meist begrenzt. Auch das Gewicht, die Möglichkeiten bei der Montage und die Materialkosten des Kühlkörpers spielen eine Rolle. In vielen Anwendungsfällen bieten Stiftkühlkörper wirtschaftlich, konstruktiv und thermisch klare Vorteile gegenüber Strangpressprofilen.

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Gerade für Leistungsmodule mit hoher Verlustleistung waren jedoch bislang als Standard keine Modelle in der erforderlichen Größe erhältlich. Seit Anfang 2014 hat Alutronic Stiftkühlkörper in 50 verschiedenen Standardausführungen im Programm, die unter anderem in den Leistungsklassen mit einer Abwärme von über 500 W, eingesetzt werden können. Hinsichtlich Bearbeitung, Oberflächenveredelung, Befestigung und Zubehör können kundenspezifische Anpassungen vorgenommen werden – auch für kleine und mittlere Serien.

Das angewandte Fließpressverfahren und die resultierende hohe Materialdichte der Stiftkühlkörper aus einer Aluminiumlegierung (Al 99,5) sorgen für eine Wärmeleitung von bis zu 236 W/mK. Gleichzeitig erlaubt das Verfahren eine optimale Wärmeverteilung, da die Legierung hinsichtlich Wärmefluss- und Materialflussrichtung – von der Basis bis in die Stiftenden – dieselbe Struktur aufweist.

Für den optimalen Wärmeeintrag in die Basisfläche sorgt die Ebenheit der Montagefläche mit weniger als 0,1 mm Abweichung. Erhältlich in runder oder quadratischer Schnittform sind die 50 Standard-Stiftkühlkörper der Reihe Powerbloc hinsichtlich ihrer Abmessungen, aber auch was die Stiftdichte betrifft, größer als die bisher von deutschen Herstellern gelieferten.

Durch eine neue Werkzeugtechnik sind die Stiftkühlkörper mit einer Montagefläche von bis zu 160 mm x 260 mm und einer Gesamthöhe von 40 mm aus einem Stück herstellbar.

Schnelle Wärmespreizung auf kleinem Raum

Bei dem bislang größten Standard-Stiftkühlkörper des Herstellers finden auf einer Fläche von 120 mm x 200 mm 1215 Stifte mit einem Durchmesser von 3,2 mm und einer Stifthöhe von 30 mm Platz. Die Bodenstärke beträgt in dieser Dimension 10 mm. Zur Veranschaulichung: Das sind neun Stifte auf 12 mm x 12 mm, wobei der Abstand zwischen den Stiften 1,2 mm beträgt.

Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C und einer Sperrschichttemperatur von 80 °C, was einer Temperaturdifferenz von 55 K entspricht, wäre ein solcher Stiftkühlkörper bei natürlicher Konvektion für maximal 60 W Abwärme oder 0,91 K/W geeignet. Der Vorteil gegenüber stranggepressten Kühlkörpern ist in diesem Fall die schnelle Wärmespreizung an der Kontaktfläche. Einen herausragenden Vorteil bieten die Stiftkühlkörper allerdings in Verbindung mit forcierter Konvektion.

Dafür kommen zwei Varianten in Frage: Die Belüftung quer zu den Stiften und die Belüftung mittels einer Lüftung von oben, also in der Stiftrichtung. Simulationen über alle Stiftkühlkörper des Standardangebots der Firma haben ergeben, dass die abführbare thermische Energie bei in Stiftrichtung montiertem Lüfter im Vergleich zu natürlicher Konvektion das Fünf- bis Neunfache beträgt.

Wenn quer belüftet werden kann, verbessert sich die Wärmeleitung im Vergleich zur Belüftung in Stiftrichtung noch um weitere 20 bis 40%. Bei einem Luftdurchsatz von 2 m3/s quer zur Stiftrichtung können bei dem größten Standardmodell mit 1215 Pins 550 W abgeführt werden. Das entspricht bei einer Temperaturdifferenz von 55 K einem RthK-Wert von 0,1 K/W. Das Gewicht des Kühlkörpers liegt in diesem Fall bei 1,6 kg.

Eine Entwärmung auf Basis eines stranggepressten Profils wäre mehr als fünfmal so groß und unter 15 kg Kühlkörpergewicht kaum machbar. Mit den beschriebenen Stiftkühlkörpern, den Powerblocs, lässt sich also erheblich Platz und Gewicht sparen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Lüftung von oben zwar weniger effizient ist als von der Seite, aber mechanisch einfacher zu realisieren ist, da nicht erst ein Windkanal geschaffen werden muss. Bei größeren Abmessungen, die von der Seite belüftet werden sollen, ermöglicht ein Trichter für die Luft eine turbulentere Durchströmung und damit eine bessere Wärmeübergabe. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Lüfter einen relativ hohen Druck aufbauen muss, um den Luftdurchsatz zu gewährleisten, der nötig ist, um die thermische Energie durch den relativ geringen Querschnitt abzutragen.

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