Integrierte Kühlkörper für Leistungshalbleiter optimieren

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ISH Ingenieursozietät GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Lenze SE

Thermisches Ersatzschaltbild aus der Konstruktion ableiten

In Bild 3 ist ein Ausschnitt des Ersatzschaltbildes der Leistungselektronik des in Bild 1 links dargestellten Antriebes gezeigt. Das Ersatzschaltbild gliedert sich in drei Teile:

• Leistungshalbleiter und DCB (Direct Copper Bond) sind rot eingerahmt. Die Leistungshalbleiter sind als Wärmequellen dargestellt. Die einzelnen Schichten des DCBs als thermische Widerstände und Kapazitäten.

• Blau eingerahmt ist in Bild 3 das in Bild 2 links detailliert dargestellte Ersatzschaltbild des Schirmblechs, welches das FPGA entwärmt.

• Das thermische Ersatzschaltbild des in das Motorgehäuse integrierten Kühlkörpers ist grün umrandet.

Die rot und blau eingerahmten Ersatzschaltbilder wurden mit auf den CAD-Daten aufbauenden thermischen FEM-Simulationen ermittelt. Die Verlustleistungen sind mit Hilfe linearisierter Verlustmodelle berechnet worden.

Dabei wird deutlich, was aus Bild 2 schon zu erkennen ist: Trotz seiner deutlich geringeren Verlustleistung ist das FPGA thermisch kritischer als die Leistungshalbleiter. Es begrenzt die an der Kühlkörperoberfläche zulässige Temperatur auf ca. 80 °C.

Mit diesem Wert, den Verlustleistungen im Nennpunkt und der maximal zulässigen Umgebungstemperatur wurde die „Zielgröße“ der thermischen Optimierung, der thermische Kühlkörperwiderstand R_th,KK auf 0,3 K/W abgeschätzt. Hiermit kann die eigentliche Arbeit beginnen, die Optimierung der Kühlkörpergeometrie und der Luftführung. Was den thermischen Kühlkörperwiderstand im Wesentlichen bestimmt und welche möglichen Wege zur Optimierung es gibt, wird nachfolgend im Artikelverlauf skizziert.

Möglichkeiten zur thermischen Optimierung

Durch einen Radiallüfter wird die Kühlluft beschleunigt und über die Lüfterhaube auf den integrierten Kühlkörper geleitet. Dahinter wird mit ihr die elektrische Maschine gekühlt, bevor sie am vorderen Lagerschild wieder aus dem Antrieb austritt. Der thermische Kühlkörperwiderstand wird im Wesentlichen bestimmt durch:

Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit: Eine möglichst gleichmäßige Verteilung über die einzelnen Kühlrippen ist hierbei das Ziel, denn nur von Luft durchströmte Kühlrippen können Wärme abführen.

Art der Strömung: Mit turbulenten Strömungen können höhere Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden als mit laminaren, sie sind somit anzustreben.

Oberfläche und Form der Kühlrippen: Durch eine feinere Verrippung entsteht eine größere Oberfläche, jedoch entsteht auch ein höherer Strömungswiderstand. Im Zweifelsfall sollte die Optimierung mit der feinsten Verrippung begonnen werden, die fertigungstechnisch möglich ist.

Bild 4 zeigt drei mögliche Wege (A, B und C) zur Ermittlung des thermischen Kühlkörper-Widerstandes R_(th,KK). Doch wie geeignet sind diese Wege und welche Probleme lauern bei ihrer Durchführung?

Weg A – 3D-Strömungssimulation: Im Bereich der Leistungselektronik verbreitete 2½D-CFD- Software (computational fluid dynamics; numerische Strömungsmechanik) mit automatisierter, strukturierter Vernetzung (z.B. ANSYS ICEPak, Cradle HeatDesigner oder Mentor Graphics FloTHERM) ist zur Optimierung von planaren Geometrien (beispielsweise bestückte Leiterkarten) konzipiert. Die komplexe Luftführung der hier untersuchten Antriebe konnte nicht erfolgreich nachgebildet werden. Hierzu wäre eine 3D-Strömungssimulation mit unstrukturierter Vernetzung erforderlich, welche ein manuell vorbereitetes (vernetztes) Modell und eine hohe Rechenleistung erfordern.

Weg B – indirekte Messung: Anstatt die Strömung zu simulieren kann sie auch an einer Attrappe gemessen werden. Dazu wird das Gehäuse des hochintegrierten Antriebes aufgebaut, siehe Bild 5 oben links. Dabei ist nur der Lüfter funktional. Der orange dargestellte Kühlkörper stammt aus dem 3D-Drucker. Hierbei ist eine glatte Oberfläche wichtig, wodurch Pulverdrucker (selektives Laser-Sintern) eher geeignet sind als Extrusionsdrucker. Mit einer Hitzkopfsonde wurde die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und hierüber die Wärmeübergangskoeffizienten der Kühlrippen analytisch berechnet. Die hierfür notwendigen Formeln wurden der einschlägigen Fachliteratur entnommen [5], [6] und [7]. Hiermit war die Basis für die nachfolgend durchgeführte thermische FEM Simulation geschaffen.

Weg C – direkte Messung: Konnte für Weg B ein Kühlkörper aus dem 3D-Drucker verwendet werden, so ist bei Weg C ein funktionaler Kühlkörper notwendig. Dieser ist aus Vollmaterial herzustellen. Anstatt der Strömungsgeschwindigkeit werden jetzt stationäre Temperaturen gemessen. Die Leistungshalbleiter wurden durch Heizwiderstände substituiert, da ihre Heizleistung exakt regulierbar ist und zum Zeitpunkt der Versuche noch keine funktionsfähige Leistungselektronik existierte.

(ID:44267361)