Wärmemanagement Wärme effizient und schnell von der Leiterplatte abführen

Hohe Ströme über die Leiterplatte zu führen, setzt ein effizientes Wärmemanagement voraus. Wir stellen am Beispiel eines eScooters eine Platinentechnik vor, mit der dies funktioniert.

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Hohe Ströme von 100 A und mehr sicher über das Board zu führen ist eine technologische Herausforderung, vor allem weil es kein universelles Entwärmungskonzept gibt. Daher müssen Entwickler beim Leiterplatten-Layout dafür Sorge tragen, dass keine lokale Überhitzung durch die hohe Verlustwärme der Leistungshalbleiter entsteht. Doch die hohen Ströme und in Folge dessen die größeren Querschnitte der Kupferleiterbahnen benötigen Platz. Und der ist auf miniaturisierten Boards eher Mangelware.

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Hinzu kommt, dass mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Steuer- und Regelschaltungen auch empfindliche SMT-Bauteile auf die gleiche Leiterplatte verbunden werden müssen, auf der hohe Ströme fließen. Dies stellt die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen. Zum einen müssen die Leitungsquerschnitte so großzügig wie möglich dimensioniert sein, damit es nicht zu einer Überhitzung bei den Leitungen mit hohen Strömen kommt. Zum anderen sind Sicherheitsabstände zu sensiblen Leitungen der Regelschaltung einzuhalten.

Die gängigste Lösung ist, die Ansteuerelektronik und Leistungselektronik getrennt auf zwei Leiterplatten zu fertigen und dann über einen Stecker zu verbinden. Günstiger und platzsparender wäre es, beide Funktionseinheiten auf einem Board zu vereinen. Doch auch das geht mit konventionellen Leiterplattentechnologien nicht, denn die klassische Dickkupfertechnik kann zwar hohe Ströme bewältigen, nicht jedoch die feinen Strukturen realisieren, wie sie die Ansteuerung erfordert. Demnach ist eine Platinentechnik nötig, die große Querschnitte für Entwärmung mit sehr feinen Strukturen zu kombinieren vermag.

Von Häusermann gibt es eine speziell für solche Anwendungen ausgelegte Leiterplattentechnik. Mit HSMtec lassen sich beide Anforderungen vereinen, da mit Kupferelementen auf konventionellem FR4-Basismaterial gearbeitet wird. Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – sei es als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert.

Diese Kupferelemente führen nicht nur zügig den Strom von bis zu 400 A, sondern sorgen gleichzeitig auch für ein effizientes Wärmemanagement. Jene Kupferelemente werden mittels Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden. Dies ist in jeder beliebigen Lage eines auf FR4 basierenden Multilayers möglich.

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotential der Lösung. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept.

Mit HSMtec lassen sich große Querschnitte für Entwärmungen mit sehr feinen Strukturen kombinieren. Denn um für Leistungsmodule eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherzustellen, muss vom aufgelöteten Bauteil bis zum Kühlkörper eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet sein. Daher ist die Platinentechnik für den Einsatz in der Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT oder für die Elektromobilität gut geeignet: Die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte stellt insbesondere in der Elektromobilität eine Herausforderung dar. Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es, hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig schnell die Wärme abzuleiten.

Anwendung in der Motorsteuerung eines eScooters

Eine solche Anwendung ist die Motorsteuerung von Rising-edge für eine eScooter-Serie. Die rein elektrisch betriebenen Zweikrafträder sollen künftig Postboten in ländlichen Gegenden die Zustellung erleichtern. Um wendig, leicht und flink zu sein, wird der Stromer auf zwei Rädern von einem Permanentmagnet-erregten Dreiphasen-Synchronmotor mit einer Leistung von bis zu 15 kW angetrieben. Dabei liefert der Motorcontroller einen Ausgangsstrom bis zu 270 A, kontinuierlich fließen 160 A.

Ein FPGA stellt die nötige Rechenleistung für die Berechnung der feldorientierten Vektorregelung (FOC) bereit. Die Endstufe bildet ein integriertes Three-Phase-Full-Bridge-Modul mit sechs MOSFETs, das in THT-Technik (through hole technology, Durchstecktechnik) auf die Leiterplatte bestückt ist. Dies bedingt, dass die Motorenströme über die Leiterplatte zum Motor gelangen müssen.

Genau hier greift die Lösung der Österreicher: Waren bislang spezielle Montagen nötig, um große Ströme über die Leiterplatte zu führen, lässt sich nun das gesamte Motorsteuerungsmodul mit einer Fläche von 228 mm x 75 mm auf einer einzigen Leiterplatte unterbringen. Die eingesetzten massiven Kupferelemente, die im vierlagigen Multilayer eingepasst sind, leiten den Strom zügig weiter und sorgen gleichzeitig für rasche Entwärmung.

Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit, da weder Schraubanschlüsse noch die hierfür notwendige Kabelverbindung zwischen Modul und Leiterplatte erforderlich sind. Der Motorencontroller ist nicht nur für die Motorenansteuerung zuständig, sondern regelt auch die Rekuperation, also die Rückgewinnung der Bremsenergie. Dabei wird das Zusammenspiel einer mechanischen Bremse und der Rekuperation so gesteuert, dass möglichst viel Energie zurückgewonnen werden kann, aber auch immer die vom Benutzer geforderte Bremsleistung erreicht wird.

Derzeit kommt HSMtec in der Antriebselektronik des Elektro-Scooters zum Einsatz. Durch die kleinen Abmessungen lässt sich die Antriebselektronik platzsparend direkt auf der Motorschwinge montieren. Aufgrund der großen Rechenleistung, die durch das FPGA auf dem PCB vorhanden ist, wird der Motorencontroller zukünftig als zentraler Bordcomputer eingesetzt werden können und weitere Aufgaben wie Diagnose- und Datenloggerfunktionen, Flottenmanagement via GPS und GSM, Ansteuerung von Displays und anderen Bordinstrumenten, etc. übernehmen.

* Johann Hackl ist Produktmanager HSMtec bei Häusermann im österreichischen Gars am Kamp.

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