Temperaturbelastungen in der Leistungselektronik analysieren

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Datenblattangaben eines IGBT

In unserem Beispiel betrachten wir das Datenblattangaben eines IGBT des Herstellers EUPEC, die Bezeichnung des Bausteins ist FZ1200R33KF2C (nicht die aufgeschnittene Variante im Bild). Dieser IGBT-Wechselrichter wird mit folgenden, für uns wichtigen Details im Datenblatt beschrieben: maximale Gesamt-Verlustleistung P_tot = 14,5 kW,innerer Wärmewiderstand Junction-Case R_jc = 8,5 K/kW, typische Paste α = 1 W/mK, höchstzulässige Sperrschichttemperatur T_jmax = 150 °C, Außenabmessung der Metallplatte Basisseite: 190 mm x 140 mm x 5 mm, Housinghöhe 32 mm.

Zwar zeigt das Datenblatt einen thermischen Widerstand für die Paste von 6 K/kW an, doch ist dieser Wert ohne die Angabe der Schichtdicke nutzlos. Man könnte hier höchstens rückwärts rechnen, indem man aus der technischen Zeichnung die Kontaktfläche und den Wärmeleitwert nutzt, um mit dem thermischen Widerstand Rückschlüsse auf die Schichtdicke zu ziehen. Doch wir nutzen diese Gelegenheit, verschiedene Pasten bei 50 µm Dicke mit den Wärmeleitwerten 1 W/mK, 3 W/mK, 6 W/mK und 10 W/mK zu berechnen und grafisch aus 6SigmaET heraus gegenüber zu stellen.

Diese Arbeit, den thermischen Widerstand dieser verschiedenen Pasten zu bestimmen, nimmt uns das Simulationswerkzeug ab. Auch bei Variantentests mit unterschied-lichen Schichtdicken wird der thermische Widerstand jedes Mal von der Software neu ermittelt und somit realistisch in den Wärmepfad einbezogen. Hier betrachten wir später die Schichtdicken 50 µm (Paste mit 10 W/mK), 100 µm bzw. 200 µm und 400 µm (Pad oder Folie mit 2 W/mK).

Viel mehr ist in Bezug auf ein thermisches Ersatzmodell aus dem Datenblatt nicht herauszufinden. Dies bedeutet nun, dass man den fehlenden thermischen Widerstand Junction-Board selbst ermitteln muss.

Die Faustregel für das thermische Modell: Ausgehend von ein bisschen Erfahrung schätzt man den thermischen Widerstand Junction-Board (zur Platine hin) im Verhältnis 1:20 (Notiz: bei Luftkühlung und anderen Modulen wie LED ist anders vorzugehen!) zum thermischen Widerstand Junction-Case. Dies sollte sicherstellen, dass der errechnete Temperaturanstieg vom Kühlkörper zum IGBT der simulierten Gradienten entspricht. Im ersten Test simuliere man den IGBT blank bei perfektem Kontakt auf der Kühlplatte und erwartet hier den Datenblattwert von 8,5 K/kW. Im Beispiel laden wir den IGBT mit 6 kW Verlustleistung und erwarten hier ein ΔT von 51 K. Nachdem die Kühlplatte mit dem Mäander aus dem CAD oder per Designoberfläche in 6SigmaET aufgebaut und mit einem Materialwert von 210 W/mK für das beiFischer Elektronik genutzte Aluminium definiert wird, schließen wir eine virtuelle Pumpe mit 10 l/min Fördermenge und einem Wasser/Glykol-Gemisch im Verhältnis 60/40 an. Natürlich berücksichtigt die Simulation auch die Wärmeabfuhr durch Luftkonvektion und Strahlung außerhalb der Kühlplatte. Diese beiden Wärmewege spielen allerdings in der gegebenen Situation eine sehr untergeordnete Rolle – die Kühlleistung der Flüssigkeitsströmung übernimmt hier die Hauptaufgabe.

Bild 4: Thermischer Gradient zur Prüfung des IGBT-Ersatzmodells

Nach ca. 10 Minuten Rechenzeit mit einem 64-Bit-Laptop erhält man eine thermische Darstellung wie in Bild 4 zu sehen. Dieser thermische Gradient bestätigt, dass unser Ersatzmodell in der Simulation mit 50,4 K gut genug an den theoretischen Wert heranreicht und wir die Variantenstudie mit den unterschiedlichen Interfacedaten starten können.

Eine Variantenstudie mit drei Analysebeispielen

Um die Studien realistisch zu halten, wird die 50-µm-Variante mit Paste bei 10 W/mK simuliert, da in der Praxis meist diese Dicke für Paste vorgegeben wird. Bei höheren Schichtdicken zeigt die Erfahrung, voneinem Pad mit 2 W/mK auszugehen.

Bild 5: Tabelle der Temperatursimulation am mittleren Modul (Variantenstudie)

Das Ergebnis in Bild 5 (Tabelle) verdeutlicht die Temperaturwerte der mittleren Komponente. Es ist in der Studie 1 sehr gut zu erkennen, dass die Simulationswerte mit der Theorie zusammenpassen. In dieser wird davon ausgegangen, dass bei gleichbleibendem Wärmeleitwert (Beispiel Pad, 2 W/mK) die durch das Pad erzeugte Temperaturdifferenz mit Verdoppelung der Dicke sich auch verdoppelt. Bei Betrachtung der Werte ΔT ist, um diese Theorie nachzuvollziehen, die bisherige Temperaturdifferenz aus dem Bild 4 von 51 K abzuziehen! Die Studie 2 zeigt, dass eine Verdoppelung der Wärmeleitfähigkeit den thermischen Widerstand halbiert, dies aber bei einer 50 µm Paste kaum zum Tragen kommt. Bei einem 2-mm-Pad wie in Studie 3 (Temperaturen sind so sicher nicht in der Praxis nutzbar – aber gut für den Einblick in diesen Effekt) kann dieser Wärmeleitwert aber einen sehr großen Einfluss haben.

Fazit: Beachtet man, dass eine Wärmeleitpaste ausschließlich die Oberflächenrauigkeit überbrücken muss und man diese Paste sehr dünn aufträgt, dann ist der Wärmeleitwert kaum von Belang – Hauptsache, es gibt keine Lufteinflüsse mit 400-mal schlechterem Wärmeleitwert. Muss man größere Maßtoleranzen durch ein Pad überbrücken, ist der Wärmeleitwert ausschlaggebend für eine gute Wärmebrücke.

Nicht in der Studie enthalten, aber dennoch für die Praxis wichtig zu wissen: Als dritter Faktor in dieser Gleichung zählt die Fläche, mit welcher eine Leistungskomponente an die Kühlsenke angeschlossen wird. Auch hier führt eine Verdoppelung der Fläche zu einer Halbierung des thermischen Widerstandes. //KU

* * Dipl.-Ing. Tobias Best... ist geschäftsführender Gesellschafter der ALPHA-Numerics GmbH, Nastätten

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Link: Details zu 6SgmaET mit Webdemo von APLPHA-Numerics

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