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Unterschiedliche Konzepte für die richtige Kühlung

Applikationsseitig sind unterschiedliche Kühlkonzepte erforderlich. Hauptsächlich sind hier die physikalischen Entwärmungsmethoden durch Konvektion mit freier- oder Ventilator-Lüftung oder durch Wärmeableitung (Kontaktkühlung) vielfach über eine Grundfläche, z.B. die Oberseite oder das Baseplate-Cooling, zu unterscheiden.

Konvektion: In Anwendungen wie Schaltschränke mit ausreichend freien Lufträumen kommt klassisch die Konvektionskühlung zum Einsatz. Wichtig ist jedoch bei der Montage auf die Einbaulage und Mindestabstände um das Netzteil herum zu achten, damit die erforderliche Konvektion und so der Wärmeabtransport stattfinden kann. Die Angaben hierzu findet man in den Datenblättern und in der Installationsanleitung.

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Ein weiterer großer Einsatzbereich für konvektionsgekühlte Schaltnetzteile ist die moderne LED-Beleuchtung. Eine Zwangslüftung mit Ventilator wäre vielfach alleine wegen des Betriebsgeräuschs eines Lüfters unangebracht. Die Gehäuseformen weisen hierbei vielfach entsprechend integrierte Kühlkörper auf. Zusätzlich sind die Bauteile im Innenraum oft vollständig vergossen. Dies gewährleistet zum einen eine hohe Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Staub, zum anderen, und nicht minder wichtig, gewährleisten die modernen Vergussmassen einen optimierten Wärmetransport an die umgebende Gehäusewand.

Bei Implementierung eines Schaltnetzteils in ein geschlossenes System stehen dort vielfach nur kleine Flächen für die Montage zur Verfügung. Zudem ist bei sehr kompakt gestalteten Hochleistungsnetzteilen die Luftzirkulation im Systemgehäuse oftmals nicht ausreichend, um die Verlustwärme abzuführen. Hier ist den Forderungen in den Datenblättern exakt Folge zu leisten. Entweder, man verzichtet bei erhöhten Umgebungstemperaturen auf einen Teil der Leistung, hier spricht man vom De-Rating, oder es kann auf eine Zwangs-Lüftung mittels Lüfter nicht verzichtet werden. Die erforderliche Menge an Luftzirkulation wird vielfach aus dem Englischen mit CFM (Kubik-Fuß pro Minute) angegeben. Im europäischen Sprachraum findet man häufiger die Angaben in m³/h. Eine Umrechnung ergibt sich aus 1 CFM = 1,699 m³/h

Für große Leistungsanforderungen, oder bei kompakter Bauweise, kann vielfach auf eine Zwangslüftung nicht verzichtet werden. Die Hersteller statten die Netzteilkomponenten dann sogleich mit entsprechenden Lüftereinheiten aus. Je nach Ausführung lassen sich die erforderlichen Luft-Volumen-Ströme durch verändern der Lüfterdrehzahl anpassen. Dies bedeutet: bei kleiner Leistungsanforderung bzw. geringer Wärmeentwicklung drehen die Lüfter mit kleiner Drehzahl und somit mit verminderter Geräuschentwicklung. Steigt der Leistungsbedarf, dann wird die Lüfterdrehzahl automatisch erhöht und gewährleistet so die optimale Entwärmung des Schaltnetzteils. Manche Hersteller bieten hierbei noch Sonderfunktionen wie etwa die Umkehr der Strömungsrichtung an.

Kontaktkühlung: Falls der Einsatz eines Lüfters nicht möglich ist oder es bei der Applikation, etwa im Medizinbereich, keine störenden Lüftergeräusche geben darf, kommen andere Kühlkonzepte in Frage. Bei der Kontaktkühlung muss die Wärmeabfuhr über geeignete Kühlkörper beziehungsweise über eine Gehäusefläche oder die Grundplatte (Baseplate) sichergestellt werden. Darüber hinaus ist natürlich eine ausreichende Konvektion sicherzustellen. Ist keine Konvektion möglich, sind auch bereits Systeme mit Heat-Pipe oder Flüssigkeits-Kreisläufen im Einsatz und ermöglichen so einen störungsfreien Betrieb ohne Leistungseinschränkungen.

Bei DC/DC-Wandlern im höheren Leistungsbereich ist oft die Gehäuseoberseite zum anflanschen eines entsprechenden Kühlkörpers vorgesehen. Die erforderliche Größe des Kühlkörpers lässt sich aus den geforderten Leistungsbedingungen und den Herstellerangaben berechnen. Vielfach befinden sich jedoch entsprechend passende Kühlkörper im Vertriebsprogramm von EMTRON electronic.

Ein relativ modernes Konzept zur Kontaktkühlung ist das Baseplate-Cooling. Hierbei wird über eine ausreichend große Kontaktfläche auf der Unterseite des Netzteils die Wärme übertragen. Konstruktionsbedingt werden spezielle Leiterplatten-Materialien und Geometrien verwendet, die einen Wärmetransport sicherstellen. Das Netzteil kann z.B. direkt auf eine entsprechend ausgeführte Gehäusewand aufgeschraubt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Netzteil auf einen dafür ausgelegten Kühlkörper auf Basis Konvektion oder mit Flüssigkeitskreislauf zu montieren und so für die nötige Wärmeabfuhr zu sorgen. Allerdings muss auf einen ausreichend kleinen Wärme-Übergangswiderstand zwischen dem wärmeableitenden Gehäuseteil oder der Grundplatte und dem Kühlkörper geachtet werden. Hilfsmittel hierfür sind beispielsweise die bekannte Wärmeleitpaste oder speziell angebotene Wärmeleit-Pads.

* Stefan Bergstein ist Produktmanager der EMTRON electronic, Nauheim.

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