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Wärmemanagement

Flüssigkeits-Kühlsysteme für Leistungshalbleiter

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Anbieter zum Thema

EBV Elektronik GmbH & Co. KG
congatec GmbH
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.
Austerlitz Electronic GmbH

Für den Fall, dass sehr aggressive Kühlmittel verwendet werden, wie beispielsweise in der Lasertechnik, wo man oft mit deionisiertem Wasser kühlt, gibt es die Möglichkeit die Kühlkanäle in Edelstahl auszuführen.

Der Wärmeleitwert beträgt 15 W/mK. Edelstahl bietet die höchste Beständigkeit gegenüber sehr aggressiven Kühlmitteln und kommt daher immer dann zum Einsatz, wenn die Korrosionsbedingungen keine andere Alternative zulassen (Aufmacherbild).

Hinsichtlich der mechanischen Ausführung eines Flüssigkeitskühlers kann man ebenfalls zwischen mehreren Alternativen wählen. In der Praxis findet man oft Ausführungen, wie zum Beispiel eine Aluminiumplatte, in der eine U-Nut eingefräst wird.

In diese U-Nut wird eine Kupfer- oder Edelstahlrohrschlange eingelegt und diese mit dem Aluminiumgrundkörper verklebt oder verpresst. Probleme des Wärmeüberganges durch Klebe- oder Luftspalte sind sehr wahrscheinlich.

Speziell gefertigte Flüssigkeitskühlsysteme

Eine andere Lösung bietet austerlitz electronic an: Als Grundkühlkörper dient ein Strangpressprofil aus Aluminium. Vom Presswerk werden extrudierte Kühlkanäle bereits vorgearbeitet.

In diese vorhandenen Aluminiumkühlkanäle wird dann je nach Bedarf ein Edelstahl- oder ein Kupferrohr eingearbeitet. Das Verfahren besteht aus mehreren thermischen und mechanischen Prozessen. Die Edelstahl oder Kupferrohre werden somit metallisch formschlüssig mit dem Aluminium-Grundkühlkörper verbunden.

Kleber oder Luftspalten im Zwischenraum werden eliminiert und man erhält den bestmöglichen Wärmeübergang.

Ein weiterer Punkt, den man bei der Konstruktion der Kühler beachten sollte, ist die Lage der Kühlkanäle zum Hotspot des Bauteils. Um dieses Problem zu lösen, stehen bei austerlitz electronic eine Reihe von Grundprofilen mit unterschiedlichen Kanalabständen für die gängigsten Halbleitertypen zur Verfügung (Bild 2).

Grundprofile für die meisten Halbleitertypen

Die letzte Entwicklung hierzu sind die Baureihe 100.36 und 100.39 (Bild 3), die speziell für die Kühlung des PrimePACK-Moduls von Infineon entwickelt wurden. (Weitere Informationen zum IGBT-Modul von Infineon finden Sie im Kasten.

Ergänzendes zum Thema
Die PrimePACK-Module von Infineon

Mit den PrimePACK-Modulen setzt Infineon ein Gehäusekonzept um, das die Vorteile der IGBT4-Chipgeneration nutzt. Das spezielle Modul-Design, bei dem die IGBT-Chips z.B. näher an den Anschraubpunkten der Bodenplatte liegen, lässt u.a. die interne Streuinduktivität um etwa 60% gegenüber vergleichbaren Modulen sinken. Durch die besondere Anordnung der Chips, ist die Wärmeverteilung deutlich verbessert.

Die maximale Betriebstemperatur der PrimePACK-Module beträgt 150°C. Die untere Grenze der Lagertemperatur liegt bei –55°C.

Die Module sind in zwei Gehäusegrößen mit entsprechendem mechanischen Design in den Abmessungen 89 mm x 172mm (PrimePACK2) und 89 mm x 250 mm (PrimePACK3) jeweils in den Spannungsklassen 1200 und 1700 V verfügbar. Durch die echte Halbbrückenkonfiguration und das modulare Design lässt sich die Leistung von Umrichtern einfach durch Einsatz der verschiedenen Gehäusegrößen oder durch Parallelschaltung der Module in der jeweiligen Bauform skalieren.

Beide Modulgrößen sind jeweils um bis zu 45% leichter als vergleichbare Module gleicher Leistung. Damit vereinfachen sich Aufbau und Montage von Umrichtern.

Das aktuelle Flagschiff ist das IGBT-Modul FF1400R17IP4 mit 1400 A in 1700 V im PrimePACK3-Gehäuse.

Das Modul ist – wie die gesamte Produktfamilie – mit einem intelligenten, optimierten Chiplayout und Modul-Design ausgestattet. Dieses innovative Gehäusekonzept resultiert in einer verbesserten Wärmeverteilung und -ableitung, einem reduzierten Wärmeübergangswiderstand zwischen Bodenplatte und Kühlkörper sowie minimalen internen Streuinduktivitäten.

Zielanwendungen sind erneuerbaren Energien, Traktions-Applikationen, Nutzfahrzeuge sowie leistungsfähige Industrieantriebe. Das IGBT-Modul adressiert dabei die stark gewachsenen Marktanforderungen nach höherer Leistung bei gleichen, kompakten Abmessungen und bei gleichzeitig höchster Zuverlässigkeit.

Muster des IGBT-Moduls FF1400R17IP4 aus der PrimePACK3-Familie sind seit dem 3. Quartal 2010 verfügbar. Die Serienproduktion hat Infineon für das 4. Quartal 2010 geplant.

Wie man aus den Erläuterungen ersehen kann, ist die optimale Dimensionierung eines Flüssigkeitskühlers nicht so einfach.

Weitere Faktoren, die einen starken Einfluss auf den Wärmewiderstand des Systems nehmen, sind zum Beispiel die Plattenstärke des Grundkühlkörpers. Auch die Form des Kühlkanals spielt eine Rolle und letztendlich ebenfalls die Menge Kühlflüssigkeit, die während einer bestimmten Zeit durch die Kühlkanäle fließt.

Optimale Flüssigkeitsführung im Kühlsystem

Als abschließenden Punkt dieses Artikels sollte noch auf die Flüssigkeitsführung im System hingewiesen werden. Gemeint ist damit, ob die Kühlkanäle seriell, also der Reihe nach oder parallel durchströmt werden sollen.

Bei einer parallelen Flüssigkeitsführung ist die Kühlwirkung am größten und der Druckabfall am geringsten. Man benötigt jedoch vergleichsweise viel Kühlflüssigkeit und einen großen Verteilaufwand in der Zuführung (so genannte Sammler). Einfacher hat man es bei der seriellen Durchströmung. Ein Sammler ist hier in der Regel nicht notwendig. Die Flüssigkeitsmenge ist relativ gering, aber der Druckabfall ist größer. Ob die Kühlleistung ausreicht ist letztendlich abhängig vom zu kühlenden Objekt.

* * Herbert Reißer ... ist als Vertriebsmitarbeiter zuständig für Marketing bei austerlitz electronic in Nürnberg.

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