Kompaktere Antriebe durch integrierte Kühlkörper

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ISH Ingenieursozietät GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Lenze SE

Thermisches Ersatzschaltbild ableiten

In Bild 2 rechts ist ein Schnitt durch ein intelligentes Leistungshalbleitermodul für hochintegrierte Antriebe aus dem BMBF Verbundforschungsprojekt EMiLE (Elektro Motor integrierte Leistungs-Elektronik) skizziert; dieses wird als SST (Smart Stator Tooth) Modul bezeichnet und beinhaltet neben den Leistungshalbleitern beispielsweise auch Sensorik, Gatetreiber und ein FPGA zur Signalverarbeitung.

Bildergalerie

Die weiß dargestellten Elemente sind Wärmequellen. FPGAs besitzen Verlustleistungen von ungefähr 0,5 bis 2 Watt; ihre maximale Betriebstemperatur ist typenabhängig auf circa 100 bis 125 °C begrenzt. Die skizzierten Leistungshalbleiter verursachen abhängig vom Betriebspunkt bis zu 100 W Verluste. Sie können mit Sperrschichttemperaturen von 150 °C und mehr betrieben werden.

In der Praxis steht der Ingenieur vor der Herausforderung, aus Konstruktionsdaten ein thermisches Ersatzschaltbild abzuleiten, die Verluste zu berechnen und mit beiden die Temperatur in den potenziell kritischen Bauteilen abzuschätzen.

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

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

• Blau eingerahmt ist das auf Bild 2 links detaillierter 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 wurden mit Hilfe linearisierter Verlustmodelle berechnet.

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.

(ID:44467643)