Thermische Leistungsmessung Sensor zur direkten Bestimmung der Verlustleistung

Bei der Optimierung von Leistungsbaugruppen ist die Kenntnis der Verlustleitung des Gesamtsystems und der Komponenten wichtig. Der Autor zeigt einen möglichen Weg zur Bestimmung.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ET System electronic GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Adamietz Elektronik-Entwicklung

Bekanntermaßen bestimmen die Verluste nicht nur den Wirkungsgrad des Systems, sondern auch die thermische Belastung der Komponenten und letztendlich ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Die Bestimmung des Wirkungsgrades und damit auch der Verluste einer Baugruppe geschieht in der Regel durch die Messung und den Vergleich der elektrischen Eingangs- und der Ausgangsleistung. Natur gemäß, je höher der Wirkungsgrad der Baugruppe ist, desto genauer müssen die Eingangs- und die Ausgangsleistungen gemessen werden, um aussagefähige Werte zu Verlusten zu erhalten. So müssen beispielsweise bei einem Netzgerät mit 90% Wirkungsgrad die Eingangs- und die Ausgangsleistungen mit einer relativen Genauigkeit von mindestens 1% gemessen werden, um die Verlustleitung mit einer relativen Genauigkeit von 10% zu erhalten.

Probleme beim Bestimmen der Leistungen

Im Falle von DC/DC-Wandlern stellt das in der Praxis kein großes Problem dar, denn die Leistungen können sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite ohne größeren Aufwand und sehr genau durch die meistens einfache Messung der DC-Spannungen und DC-Ströme bestimmt werden. Etwas schwieriger ist die Situation zum Beispiel bei Wechselspannungswandlern wie AC/DC-Netzgeräten. Hier müssen noch die Phasenlage und bei nicht sinusförmigen Spannungen und Strömen die Beiträge der Oberwellen berücksichtigt werden. Noch schwieriger wird die Situation, wenn die Verlustleitung einer Komponente innerhalb des Wandlers bestimmt werden soll, etwa eines Leistungs-MOSFET in einem modernen mit hohen Taktraten geschalteten Wandler. Hier können sehr schnell auch teure Breitband-Leistungsmessgeräte an ihre Grenzen stoßen.

Den Kern des Sensors bildet ein wärmeleitender Stab. Am oberen Ende des Stabes ist das Bauteil positioniert, dessen thermische Verlustleistung bestimmt werden soll; auf dem unteren Ende des Stabes befindet sich der Kühlkörper. Die von dem Bauteil zum Kühlkörper fließende Wärmemenge Q erzeugt in dem Stab einen Temperaturabfall. Der Temperaturabfall wird von den Temperatur-Sensoren Tw und Tk erfasst.

Temperatur-Mittelwert von der warmen und kalten Seite

Im allgemeinen kann aus der Kenntnis der beiden Temperaturen Tw und Tk sowie der Wärmeleitfähigkeit des Kerns auf die vom Bauteil zum Kühlkörper fließende Wärmemenge Q geschlossen werden.

Bild 2 zeigt eine praxisnähere Variante des Sensors. In dieser Ausführung ist der Wärmefluss auf mehrere parallele Stäbe verteilt. Die Temperatur des kalten (Tk) und des warmen (Tw) Endes eines jeden Stabs wird durch Temperatursensoren erfasst. Die Sensoren sind dabei so verschaltet, dass sie am Ausgang den Mittelwert der Temperaturen der kalten und der warmen Seiten liefern.

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