Kühlkonzepte für Leistungshalbleiter ShowerPower — Brausestrahl versus traditionelle Flüssigkeitskühlung

Damit Leistungshalbleiter nicht außerhalb ihres sicheren Temeraturbereichs betrieben werden, ist gezielte Kühlung unerlässlich. Flüssigkeitskühlung ist im Vergleich zu anderen Methoden sehr effektiv, aber nicht immer optimal. Ein neuartiges Konzept, das Nachteile herkömmlicher Flüssigkeitskühlsysteme vermeidet heißt ShowerPower.

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Prinzipiell werden zwei Typen von Flüssigkeitskühlern eingesetzt: offene und geschlossene Kühler bzw. Cold Plates. Geschlossene Kühler, die häufig in aufwändig bearbeitetem Aluminium hergestellt werden, enthalten teilweise zur besseren thermischen Performance in die Platte eingelassene Kupferröhren. In Bild 1 ist ein Beispiel gezeigt, in dem die Kupferröhren bündig mit der Aluminium Platte abschließen.

Trotz vieler konstruktiver Unterschiede benötigen alle geschlossenen Kühler eine als thermisches Interface-Material bezeichnete Schicht (TIM, das kann z.B. eine Wärmeleitpaste sein) zwischen Leistungsbauteil und Kühleroberfläche. Diese dient der thermischen Überbrückung von Luftspalten bzw. dem Ausgleich unvermeidlicher Ebenheitsfehler. Leider schränkt die Schicht die thermische Leistungsfähigkeit des Kühlers meist stark ein. Vor allem lässt sich ihre Schichtdicke nur schwer kontrollieren. Eine typische thermische Leitpaste mit einer Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,7 W/mK stellt etwa 30 bis 50% des gesamten thermischen Widerstandes (RthJA).

Offener Flüssigkeitskühler — Pin Fins

Aufgrund der erläuterten Problematik ist es sinnvoll, die TIM-Schicht zu eliminieren. Dies kann durch die Benetzung der Bodenplatte mit der Kühlflüssigkeit geschehen. Der übliche Lösungsansatz ist die Strukturierung der Unterseite der Bodenplatte des zu kühlenden Leistungsbauteils durch Ausarbeitung sogenannter Pin fins. Wird das Bauteil anschließend in eine Art Badewanne montiert, welche Einlass und Auslass für die Kühlflüssigkeit aufweist und wird z. B. ein O-Ring zur wasserdichten Verbindung zwischen strukturierter Bodenplatte und Wanne verwendet, kann auf die TIM-Schicht verzichtet werden. Die hohen Kosten für derartige Kühler sind vor allem durch den Anteil der Metallverarbeitung begründet: Pin fins führen zu einem rund fünfmal höheren Preis einer Bodenplatte.

Inhomogene Verteilung der Kühlleistung

Sofern Flüssigkeit zur Kühlung vom Anwender überhaupt akzeptiert ist, besteht ein wesentlicher Nachteil von Flüssigkeitskühlern in der Leistungselektronik in der inhomogenen Verteilung der Kühlleistung über die Fläche. Die herkömmlichen Flüssigkeitskühler haben einen längs der Fließrichtung des Kühlmediums von Einlass zu Auslass ansteigenden Temperaturgradienten.

Bei parallel zur Bodenplatte fließendem Kühlmedium wirkt die Erwärmung der Kühlflüssigkeit zurück auf das Leistungsmodul, sodass Bauelemente am Auslass der Kühlflüssigkeit deutlich wärmer sind als jene am Einlass, wie es in Bild 2 oben schematisch dargestellt ist.

Die Vermeidung des Temperaturgradienten

Dem Temperaturgradienten kann man vor allem dadurch begegnen, dass das Kühlmedium nicht parallel zur Bodenplatte des Leistungsmoduls geführt wird. Es muss an möglichst vielen Stellen als vertikaler Strom gegen die Bodenplatte gerichtet sein, um den Temperaturgradienten zu verhindern. Bild 2 veranschaulicht den Unterschied zwischen hauptsächlich paralleler Fließrichtung (oben) gegenüber senkrechter Anströmung der Bodenplatte (unten).

Alternatives Kühlkonzept namens ShowerPower

Der konzeptionelle Ansatz von ShowerPower ging davon aus, dass es möglich sein müsste, gleichmäßig kalte Kühlflüssigkeit an jeden Teil einer Bodenplatte führen zu können. Schnell war die Vorstellung geboren, eine Art Duschkopf unter die Bodenplatte zu halten. Diese Idee ergab den Namen des Kühlkonzeptes. Tatsächlich hatten erste Konstruktionen die Anmutung eines Duschkopfes, der die Bodenplatte von unten besprüht. Viel versprechende Resultate mit ersten Prototypen führten zu weiteren Optimierungen: Die Anordnung von Mäander-Kanälen zwischen jeder Einlass- und Auslassdüse erhöht nun die Turbulenz der Kühlflüssigkeit.

Auf der Unterseite des Spritzgussteils sind die Verzweigungen des Kühlflüssigkeitsvorlaufes und des davon getrennten Rücklaufes angeordnet, Durchlässe in der Zwischenebene stellen die Düsen für den Einlass und den Auslass dar und auf der Oberseite sind die Mäander-Kanäle ausgeführt. Die wesentlichen Vorteile des ShowerPower-Kühlkonzepts lassen sich wie folgt zusammenfassen: homogene Kühlung des Powermoduls (kein Temperaturgradient), direkte Kühlung unter Vermeidung eines Thermal-Interface-Materials (TIM), sehr kostengünstige Herstellung des Kühlers. Damit sind die klassischen Widersprüche des Kühlerentwurfs aufgelöst.

Anwendungsgebiete und Auslegung von Kühlsystemen

Die Breite der Anwendungen erstreckt sich vom Automobil-Bereich (beispielsweise großflächige Kühler für Umrichter in Hybridfahrzeugen) bis zur Kühlung von CPUs in leistungsstarken Computern. Entsprechend variieren die Anforderungen an ein Flüssigkeitskühlsystem stark nach Anwendung. Die wichtigsten Parameter bei der Auslegung von Flüssigkeitskühlsystemen sind die thermische Leistungsfähigkeit (Wärmeübergangskoeffizient bzw. Konvektionskoeffizient) und der Druckverlust. Der Druckverlust ist unmittelbar relevant für die Systemkosten, denn ein höherer Druckverlust erfordert eine leistungsfähigere und damit teurere Pumpe.

Wie lassen sich Strukturen optimieren? Mittels der CFD-Simulation können Effekte dargestellt werden wie sie durch kleine Geometrieänderungen (etwa die Abrundung von Wandungen und Ecken) der Kanäle hervorgerufen werden. Die Verhältnisse in den Mäander-Kanälen eines ShowerPower-Kühlers sind im Bild 3 gezeigt. Die Berechnungen wurden mit dem CFD-Simulationsprogramm CFdesign durchgeführt.

*Prof. Dr. Ronald Eisele doziert an der FH Kiel und Klaus Kristen Olesen sowie Dr. Frank Osterwald arbeiten bei Danfoss Silicon Power in Schleswig.

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