Thermomanagement-Serie, Teil 2

Thermisches Design von Netzteilen

01.04.2000 | Autor / Redakteur: Johannes Adam, Michael Bothe und Frank Schuldt* / Claudia Mallok

Die Miniaturisierung von Endgeräten stellt auch an die entsprechenden Steckernetzgeräte neue Ansprüche. Die Ausgangsspannung der Netzteile wird ständig reduziert, zugunsten der Batteriespannungen der Endgeräte. Deshalb muss beim Design von Netzteilen frühzeitig an Wärmeentwicklung gedacht werden. Mit dem Berechnungsprogramm Flotherm lassen sich Temperaturen von Geräten schon in der Konzeptphase ermitteln.

Steckernetzgeräte stellen hohe Anforderungen an das thermische Management. Zum einen wachsen die Ansprüche an die Miniaturisierung der Geräte. Zum anderen wird aufgrund der Batteriespannungen der Endgeräte die Ausgangsspannung des Netzteiles immer weiter reduziert. Damit steigen die Verluste bei gleicher Ausgangsleistung an. Durch die Packungsdichte der Bauteile liegt die Innentemperatur im Extremfall bei ca. 80°C. Ein ausgewogener Wärmehaushalt mit möglichst gleichmäßiger Wärmeverteilung ist also eine wesentliche Voraussetzung für Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Flotherm von Flomerics berechnet Temperaturen in Geräten schon in der Konzeptphase. Damit lässt sich die Zeitspanne bis zum Bau der ersten Prototypen verkürzen. Bei Flotherm handelt es sich um ein Berechnungsprogramm, speziell für die Elektro- und Elektronikindustrie. Das Programm setzt alle physikalischen Grundgesetze der Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung für den Computer um und berechnet Temperaturen und Luftbewegungen.

Bei dem hier simulierten Netzteil handelt es sich um das Modell PP8 von FRIWO Gerätebau, einen festfrequenten Sperrwandler mit 100 KHz Schaltfrequenz (Bild 1). Das Gerät ist als Weitbereichsladegerät ausgelegt und liefert bei einer Spannung von 8 V einen Ausgangsstrom von ca. 800 mA. Es verfügt über eine Strom- und Spannungsregelung. Die Verlustleistung im worst case beträgt ca. 3,5 W.

Bei der Vorbereitung einer Berechnung muss man sich der folgenden Dinge bewusst sein:

  • Die Simulation berechnet immer ein abstrahiertes Modell und
  • nur ein guter Input liefert einen guten Simulationsoutput.

Die geometrische und physikalische Modellabstraktion hat das Ziel, alle thermisch unrelevanten Eingaben zu vermeiden. Damit soll der Eingabe- und Berechnungsaufwand klein gehalten werden. Die Vereinfachung muss der Konstrukteur vornehmen, da er am besten weiß, welche Bohrungen, Öffnungen, Halter und Komponenten nichts mit der Wärmeabfuhr zu tun haben. Teilweise können entsprechende Filtermaßnahmen in CAD-Systemen diese Arbeit übernehmen.

Beim Simulationsinput sind an erster Stelle die einzuprägenden Verlustleistungen der Bauelemente zu nennen. Hier muss man sich zunächst für den typischen oder extremen Lastfall entscheiden oder bei zeitlich extrem variabler Belastung einen zeitlichen Mittelwert bilden. Andere notwendige Eingabegrößen sind z.B. Materialdaten (Wärme-Leitfähigkeit) und Umgebungsinformationen (Umgebungstemperatur und Einbausituation).

Feldeffekt-Transistoren verursachen Verluste

Bild 2: Der Schaltvorgang bei induktiver Last zeigt, dass die Verlustleistung beim Ausschalten deutlich größer ist als beim Einschalten
Bild 2: Der Schaltvorgang bei induktiver Last zeigt, dass die Verlustleistung beim Ausschalten deutlich größer ist als beim Einschalten

Der eingesetzte Feldeffekt-Transistor verhält sich nicht wie ein idealer Schalter. Die parasitären Kapazitäten, Schaltzeiten oder der On-Widerstand verursachen eine Verlustleistung, die sich beim Schalten einer induktiven Last aus zwei Hauptbestandteilen zusammensetzt:

  • Schaltverluste und
  • Leitverluste am Kanalwiderstand RDson (Bild 2).

Die Ansteuerverluste und der Reststrom im ausgeschalteten Zustand können dagegen vernachlässigt werden. Bild 3 zeigt deutlich die Einflüsse von Streuinduktivität (Ausschwingen der UDS) und Wicklungskapazität (Stromspitze zu Beginn der Flussphase des Drainstroms).

Betrachtet man den direkten Schaltvorgang, so zeigen sich an den Schaltflanken hohe Verlustleistungsspitzen. Die momentane Verlustleistung ist das Produkt aus U und I. Die Gesamtverlustleistung PV in einer Periode T folgt aus dieser Gleichung:

In der Praxis ist die Berechnung nach dieser Formel meist zu aufwendig, da die Kurvenformen als mathematische Funktionen zu bestimmen sind. Eine einfachere Möglichkeit bietet ein Digital-Speicher-Ozilloskop (DSO) mit einer Funktion für die mathematische Verknüpfung der Aufnahmekanäle. Die Abtastwerte werden diskret verarbeitet und die Verlustleistung des Schalttransistors mit numerischer Integration berechnet.

Eine andere geläufige Methode ist die Messung der Eigenerwärmung des Bauteils im Betrieb. Die Temperatur hängt ab von der zugeführten Energie, der Umgebungstemperatur und dem Temperaturübergangswiderstand des Transistors von der Oberfläche (case) zur Umgebung (ambient). Die Umgebungstemperatur und die Eigentemperatur des Transistors lassen sich leicht messen.

Der Temperaturübergangswiderstand ist Bestandteil des Datenblatts. Mit der folgenden Gleichung gelangt man über einen Umweg zur Verlustleistung des Transistors:

Die Ungenauigkeit dieses Verfahrens liegt in der Bestimmung des Temperaturübergangswiderstands. Die angegebenen Werte gelten für definierte Laborbedingungen und können sich in der Praxis z.B. durch die Einbaulage des Bauteils oder eine Luftströmung am Bauteil ändern. Für die überschlägige Ermittlung hat sich dieses Verfahren jedoch bewährt.

Thermische Simulation eines Netzgeräts

Bild 4 zeigt das geöffnete Netzgerät. Der Feldeffekt-Transistor wird zur besseren Wärmeableitung von einem Kupferblech umschlungen. Von den anderen Bauteilen braucht die Wärmesimulation nur diejenigen berücksichtigen, die entweder eine große Verlustleistung haben oder durch ihr großes Volumen den Luftstrom beeinflussen können.

Das Bild zeigt auch das abgeleitete Flotherm-Modell des Netzgerätes. Das Außengehäuse ist ausgeblendet. Eine Besonderheit des Modells ist der Detailaufbau des Wandlers (grauer Block). Er wurde aus Ferritkern, Wicklung, Polyesterfolie und Vergussmasse aufgebaut. Die anderen Bauelemente wurden als einfache Klötze mit einer homogen verteilten Verlustleistung modelliert.

Auf diesem Detaillierungsniveau lassen sich dennoch Oberflächentemperaturen ableiten, deren Genauigkeit in der Gegend von 10% liegen, relativ zur Umgebungstemperatur. Die Ergebnisse der Simulation, für eine Umgebungstemperatur von 40°C in horizontaler Lage, sind ebenfalls in der Thermosimulation zu sehen. Die Diode stellt hier das heißeste Bauteil dar. Der Innenaufbau des Wandlers ist an den Konturen der Bauteile zu erkennen.

*Dr. Johannes Adam ist Mitarbeiter von Flomerics in Filderstadt, Michael Bothe und Frank Schuldt sind Mitarbeiter von FRIWO in Ostbevern.

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