Thermomanagement-Serie, Teil 4

Temperaturoptimiertes Design von Leistungshalbleitern

23.05.2001 | Autor / Redakteur: Johannes Adam, Helmut Dörfler* / Claudia Mallok

36-kW-Einspeiseeinheit für Werkzeugmaschinen von Siemens A&D
36-kW-Einspeiseeinheit für Werkzeugmaschinen von Siemens A&D

Auch für IGBTs gilt die Daumenregel, dass eine Zunahme der Sperrschichttemperatur um 10°C die Lebensdauer halbiert. Ein temperatur-optimiertes Design macht es dringend erforderlich, die Wärmeabfuhr über Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung als gekoppeltes Problem in der real-existierenden Geometrie zu analysieren. Ein eleganter und zugleich kostengünstiger Weg für Voruntersuchungen dieser Art ist die numerische Simulation.

Effizientes Thermomanagement ist bei Leistungselektronik unerläßlich, denn temperaturoptimiertes Design wirkt sich direkt auf die Qualität des Produktes aus. Und das gilt besonders für IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistors), bei denen wegen des hohen zu schaltenden elektrischen Energieflusses große thermische Leistungsdichten auftreten.

Unter einem IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) versteht man ein kombiniertes Bauelement aus einem LTR (Leistungstransistor) und einem MOSFET (Feldeffekttransistor). Er vereinigt die Vorteile beider Bauelemente, sprich die hohe spezifische Stromtragfähigkeit – wie ein LTR – sowie die geringe Eingangskapazität eines FETs. Da der IGBT bei gleicher Stromtragfähigkeit eine wesentlich geringere Siliziumfläche gegenüber einem LTR benötigt, stellt er höhere Anforderungen an die Entwärmungstechnik, sprich effizientere Kühlungsmethoden.

Bild 1: Schematischer Schichtaufbau eines IGBT: Angegeben sind die thermischen Leitfähigkeiten ? der Werkstoffe
Bild 1: Schematischer Schichtaufbau eines IGBT: Angegeben sind die thermischen Leitfähigkeiten ? der Werkstoffe

Bild 1 zeigt den schematischen Schichtaufbau eines IGBT-Moduls. Das Silizium-Plättchen ist typischerweise rd. 100 bis 200 µm dick. Ein Vergussmaterial schützt das Modul vor äußeren Einwirkungen. Als Entwärmungsmaßnahme ist eine Kupferbodenplatte als Montagefläche für den IGBT notwendig.

Montageplatte mildert zugleich Hot Spots

Die Montageplatte sorgt nicht nur für eine sichere Montage – Unebenheiten zum Kühlkörper fallen nicht so stark ins Gewicht – sondern mildert auch Hot Spots in der Wärmeverteilung. Darüber hinaus kann sich die Platte wegen ihrer vergleichsweisen großen Masse, auch bei Stromspitzen dämpfend auf die Maximaltemperatur wirken.

Dass die IGBTs zumeist noch auf engstem Raum mit anderen großen Leistungsverbrauchern platziert sind und Umgebungstemperaturen von 45°C oder gar 55°C beherrscht werden müssen, verschärft die Problematik entsprechend. Auch hier gilt die allgemeine Daumenregel, dass eine Zunahme der Sperrschichttemperatur um 10°C die Lebensdauer des Bauteiles halbiert.

Die maximal zulässige Arbeitstemperatur der Sperrschicht beträgt normalerweise 130 bis 135°C. Empfohlen sind 125°C, wobei kurzzeitige Spitzen bis zu 150°C erlaubt sind. Dies hängt aber vom jeweiligen IGBT-Typ ab und muss im Datenblatt nachgelesen werden. Im ersten Moment mögen diese Temperaturen recht hoch erscheinen, sie sind im Betrieb normalerweise schnell erreicht, falls man auf Kühlung durch Eigenkonvektion setzt.

Der Kühlkörper – meist aus Aludruckguss – müsste schon größere Ausmaße haben, die aber aufgrund von Einbaubeschränkungen, Materialkosten, Gewicht, etc. unrealistisch sind. Deshalb wird man meistens nicht um Kühlung durch erzwungene Konvektion herumkommen. Heatpipes und wasserdurchströmte Cold Plates finden mittlerweile auch schon Anwendung um bei noch kleineren Gehäuseabmessungen hohe Leistungsdichten abfahren zu können.

Simulation berücksichtigt alle Aspekte

Für ein temperaturoptimiertes Design gilt es, die Wärmeabfuhr über Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung als gekoppeltes Problem in der real-existierenden Geometrie zu untersuchen. Der elegantere und zudem kostengünstigere Weg für Voruntersuchungen dieser Art ist die numerische Simulation, wie das folgende Beispiel einer 36-kW-Einspeiseeinheit für Werkzeugmaschinen (Ist-Zustand) zeigt.

Hierbei handelte es sich um ein schon bestehendes Altsystem, das einem Re-Design unterzogen und dabei gleichzeitig thermisch optimiert wurde. Die zwei IGBTs (ECONO-3-Module von Siemens) sitzen auf einem großen Aludruckguss-Kühlkörper mit eingestanzten Kühlrippen.

Diesen Kühlkörper kühlen zwei Lüfter, die in das U-Profil und durch die gestanzten Rippen blasen. Daneben befindet sich ein Netzgerät das ebenfalls eine beträchtliche Verlustleistung und temperaturkritische Bauelemente aufweist. Schließlich wurden noch eine Kondensator-Baugruppe und der Schütz als für die Thermo-simulation relevanten Teile modelliert.

Modellierung muss nur das thermisch und strömungstechnisch Wichtige berücksichtigen

Die Modellierung mit der Flotherm-Software ist einfach: nur das thermisch und strömungstechnisch Wichtige muss berücksichtigt werden. Auch die Bauteile sind denkbar einfach aufgebaut: sie sind einfache Klötze mit einer Materialeigenschaft (Wärmeleitfähigkeit λ) und evtl. einer Verlustleistung P.

Für das IGBT-Modul wurde der Schichtaufbau nach Bild 1 verwendet. Lüfter werden durch ein Smart Part aus Gehäuse, Nabe und Kennlinie dargestellt. Überall dort, wo kein Bauteil explizit positioniert ist, ist automatisch Luft.

Die Temperaturberechnung berücksichtigt selbst-konsistent alle möglichen Wärmewege, insbesondere die Wärmespreizung in den Cu-Platten, das Eindringen in den Alu-Kühlkörper und alle Wärmeübergänge an die Luft. Die Luft bewegt sich gemäß den berechneten lokalen Druck- und Auftriebskräften.

Mit Flotherm wurden also die 3D Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsfelder des bestehenden Geräts simuliert und die Ergebnisse mit den Messdaten verglichen. An den kritischen Stellen, wo sowohl der Modellaufbau als auch die numerische Auflösung entsprechend genauer gewählt war, stimmten die Werte auf rd. 2% überein.

Ungünstige Anordnung der Bauteile aufdecken

Bild 2: Flotherm Modell: Auf dem Hauptkühlkörper (unten) befinden sich 2 ECONO-3-Module zu je 6 IGBTs. Die Stromversorgung (Platine rechts) braucht für etliche TO 220 einen eigenen zwangsbelüfteten Kühlkörper.
Bild 2: Flotherm Modell: Auf dem Hauptkühlkörper (unten) befinden sich 2 ECONO-3-Module zu je 6 IGBTs. Die Stromversorgung (Platine rechts) braucht für etliche TO 220 einen eigenen zwangsbelüfteten Kühlkörper.

Bild 2 zeigt das Flotherm-Modell der simulierten Baugruppe. Auf dem Hauptkühlkörper (unten) befinden sich zwei ECONO-3-Module zu je sechs IGBTs. Die Stromversorgung (Platine rechts) braucht für etliche TO 220 einen eigenen zwangsbelüfteten Kühlkörper. Die Kondensatoren (gold) sind ebenfalls einer Temperaturbegrenzung ausgesetzt. Das Umgehäuse ist in dieser Darstellung ausgeblendet.

Nun wurden die Modifikationen am Modell, wie sie für das Re-Design vorgesehen waren, vorgenommen. Dabei stellte sich heraus, dass aufgrund ungünstiger Bauelementeanordnung ein Trafo praktisch im „Windschatten“ lag und sich so über seine maximale Betriebstemperatur erhitzte. Dieser Effekt wurde noch durch die beiden Lüfter für den IGBT-Umrichter verstärkt, da sie praktisch alle Luft von unten absaugten.

Nach einigen Variantensimulationen auf dem Netzgerät – verschiedene Anordnungen und Kühlkörper für die Leistungsbauelemente, die auch über hohe Leis-tungsdichten verfügen – stellte sich heraus, dass ein kleiner Zusatzlüfter für das Netzgerät unumgänglich wurde.

Hierbei galt es wiederum zu berücksichtigen, dass dieser Zusatzlüfter für das Netzgerät nicht zu stark in Konkurrenz zu den beiden Umrichterlüftern trat und die Grenzschichttemperatur der IGBTs zu hoch wurde. Der passende Lüfter und seine Position wurde letztendlich ebenfalls mittels Flotherm bestimmt.

Allgemein zogen wir daraus die wichtige Lehre, dass man mit Abschätzungen von Hand unter Verwendung des Rth der Kühlkörperkataloge, oder Lüfterkennlinien vorsichtig umgehen muss. Schließlich gilt es gleichermaßen die Besonderheiten des Geräteinneren zu berücksichtigen.

Bild 3: Berechnete Temperaturverteilung: Rot – hohe Temperatur, violett – niedrige Temperatur. Das Silizium als Wärmequelle ist klar zu erkennen, ebenso die Erwärmung der Kondensatoren und einiger Netzteilkomponenten.
Bild 3: Berechnete Temperaturverteilung: Rot – hohe Temperatur, violett – niedrige Temperatur. Das Silizium als Wärmequelle ist klar zu erkennen, ebenso die Erwärmung der Kondensatoren und einiger Netzteilkomponenten.

Bild 3 zeigt das Endresultat der Berechnung. Der große Kühlkörper ist ausreichend bis in die Rippenspitzen erwärmt. Gegenüber dem Luftstrom durch die Rippen gibt es einen ausreichenden Temperaturunterschied. Die Temperatur des Siliziumplättchens liegt ebenfalls noch im erlaubten Bereich.

*Dr. Johannes Adam ist Mitarbeiter von Flomerics Ltd. in Filderstadt, Dipl.-Ing. Helmut Dörfler ist Mitarbeiter bei Siemens A&D MC E4 in Erlangen.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 257263 / Leistungselektronik)