Kühlung von Leistungshalbleitern - EAL Lehrstuhl für Elektrische ...
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Lehrveranstaltung<br />
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“<br />
<strong>Kühlung</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungshalbleitern</strong><br />
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel<br />
(ralph.kennel@tum.de)<br />
Technische Universität München<br />
Arcisstraße 21<br />
80333 München
Aufbau eines IGBTs
<strong>Kühlung</strong>stechniken<br />
<strong>Kühlung</strong> / Entwärmung <strong>von</strong> Bauelementen<br />
• Thermisches Ersatzschaltbild<br />
• natürliche Konvektion<br />
• forcierte Luftkühlung<br />
• Flüssigkeitskühlung
<strong>Elektrische</strong>s Ersatzschaltbild<br />
zur Modellierung der thermischen Eigenschaften<br />
Dualismus :<br />
Wärmequelle Stromquelle<br />
thermische Energie Strom<br />
Temperatur elektrisches Potential<br />
Temperaturdifferenz Spannung<br />
thermischer Widerstand elektrischer Widerstand<br />
Wärmekapazität elektrische Kapazität<br />
gibt es nicht elektrische Induktivität<br />
… deshalb gibt es auch kein „Schwingen“ der Temperatur
<strong>Elektrische</strong>s Ersatzschaltbild<br />
zur Modellierung der thermischen Eigenschaften<br />
… bei einfachen, überschaubaren Wärmeverteilungen<br />
lassen sich die Komponenten des Ersatzschaltbildes<br />
aus der Geometrie des Aufbaus und den physikalischen Materialparametern bestimmen<br />
… wie bei elektrischen Widerständen auch<br />
… <strong>für</strong> komplexere Wärmeverteilungen<br />
werden FEM-Simulationsprogramme angeboten
<strong>Elektrische</strong>s Ersatzschaltbild<br />
zur Modellierung der thermischen Eigenschaften<br />
Alternative : messtechnisch wie bei elektrischer Netzwerkanalyse<br />
… z. B. durch Messung der Sprungantwort(en)
<strong>Elektrische</strong>s Ersatzschaltbild<br />
zur Modellierung der thermischen Eigenschaften<br />
Vorteil des elektrischen Ersatzschaltbilds :<br />
transiente Wärmevorgänge lassen sich mit den Methoden<br />
der Netzwerktheorie und Signalanalyse einfach berechnen
natürliche Konvektion<br />
der Wärmeübergang vom Kühlkörper<br />
zur umgebenden Luft<br />
ist abhängig <strong>von</strong> :<br />
der Temperaturdifferenz<br />
der wirksamen Oberfläche<br />
der Strömungsgeschwindigkeit der Luft<br />
… daher muss der Kühlkörper<br />
aus gut wärmeleitendem Material bestehen<br />
(Aluminium, Kupfer etc.)<br />
dicke Wurzel und möglichst viele Rippen<br />
eine möglichst große Oberfläche besitzen<br />
(oft als Strangpressprofil)<br />
eine dunkle Oberfläche besitzen<br />
vertikal montiert werden<br />
(Kamineffekt)
weitere Kühlkörperbauformen<br />
• gestanzte und geformte Bleche<br />
• aufsteckbare Kühlsterne und Kühlfahnen<br />
– aus Aluminium<br />
– aus Federbronze<br />
– aus Stahlblech<br />
• Bodenplatte aus Aluminium,<br />
mit mechanisch eingepressten Kühllamellen
forcierte Luftkühlung<br />
gegenüber natürlicher <strong>Kühlung</strong> (Konvektion)<br />
kann der thermische Kühlkörperwiderstand<br />
durch forcierte Belüftung<br />
auf 1/5 ... 1/15 verringert werden.<br />
wegen des überwiegenden Anteiles der Konvektion<br />
an der Wärmeabgabe<br />
hat eine Schwärzung des Kühlkörpers<br />
bei forcierter Luftkühlung wenig Sinn
Flüssigkeits-<strong>Kühlung</strong><br />
kleineres Temperaturgefälle zwischen<br />
Kühlkörperoberfläche und Kühlmittel<br />
höherer Leistungsumsatz<br />
oder niedrigere Chiptemperatur<br />
(hohe Lebensdauer)<br />
mit seinem großen Wärmespeichervermögen<br />
(spezifische Wärme cp = 4,187 kJ/kg *K)<br />
ist Wasser besser zur Wärmeabführung geeignet<br />
als andere Medien (Öl oder Glykolgemische)
Flüssigkeits-<strong>Kühlung</strong><br />
Flüssigkeitskühlung im Kühlkreislauf eines Kfz :<br />
durch Beimischung <strong>von</strong> z.B. Glykol<br />
sinkt das Wärmespeichervermögen der Kühlflüssigkeit ab<br />
da auch Viskosität und spezifisches Gewicht der Kühlflüssigkeit zunehmen,<br />
wächst mit steigendem Glykolanteil<br />
der thermische Widerstand zwischen Kühlkörper und Kühlflüssigkeit beträchtlich<br />
50 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa 50...60 %<br />
90 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa 110...130 %
Flüssigkeits-<strong>Kühlung</strong> mit Heatpipes<br />
Heatpipes<br />
dienen dem Wärmetransport<br />
… werden eingesetzt,<br />
um die Wärme vom Bauteil<br />
zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten<br />
(z. B. bei engen Platzverhältnissen)<br />
... verbessern die Wärmeverteilung<br />
und das dynamische Verhalten
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