Warum die Thermosimulation für Schaltnetzteile immer stärker an Bedeutung zunimmt

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Das Simulationsprogramm und seine Möglichkeiten

Die Strömungssimulationssoftware, die MGV bei seiner Entwicklung benutzt, basiert auf einem vollkommen neuen Konzept für CFD-Software. Sie ermöglicht zur Entwicklung der Mechanik beispielsweise Strömungen und Wärmeübertragung anhand ihrer 3D-CAD-Modelle direkt zu simulieren, ohne die Daten vorher kopieren oder umwandeln zu müssen. Dadurch können Änderungen im Lauf der Entwicklung jederzeit berücksichtigt werden. Anders aber als bei herkömmlicher CFD-Software, kann mit dieser Software schon nach einer Vergleichsweisen kurzen Einarbeitungszeit begonnen werden reale Problemstellungen zu simulieren. Zu den thermodynamischen und strömungsmechanischen Standard-Problemstellungen, die sich mit der verwendeten Strömungssimulationssoftware lösen lassen, gehören u.a.:

Durchströmungen und Umströmungen,
verschiedene Strömungsbereiche mit unterschiedlichen physikalischen Parametern in einem Modell,
inkompressible oder kompressible Strömung viskoser Gase einschließlich Transsonik-, Unterschall-, - und Überschallströmungen,
automatische laminare/turbulente Berechnungen mit Turbulenzübergang,
Modell für relative Luftfeuchtigkeit,
Wandrauhigkeit,
Wandgleitmodell,
rotierende Teile (Rotor, Stator), Zentrifugal- und Corioliskräfte,
Wärmeaustausch mit Festkörpern, Wärmeleitung und Wärmekonvektion,
erzwungene, freie oder Mischkonvektion,
Oberflächenstrahlung, Solarstrahlung, Strahlungsaustausch mit der Umgebung,
zeitabhängige Strömungs- und Temperaturfeldberechnungen,
Kompaktmodelle für Kühlkörper mit Lüfter und Peltier-Elemente (TEC).

Die von MGV eingesetzte Software verwendet zum Berechnen der thermodynamischen und strömungsmechanischen Gegebenheiten des Systems Algorithmen, die auf denselben physikalischen Grundgleichungen (zum Beispiel Navier-Stokes-Gleichungen) beruhen, wie andere Programme auf dem Gebiet der Strömungssimulation.

Ein 1000-W-Netzteil in der Simulation

Die Vorteile und der effektive Nutzen der Simulationssoftware werden durch die Untersuchung eines 1000-W-Super-Slim-Netzteils dargestellt. Das in der Simulation betrachtete Innenleben des Netzteils setzt sich aus Kühlkörpern, Leistungshalbleiter, Kondensatoren und Induktivitäten zusammen. Die Zwangsbelüftung der Baugruppe erfolgt über einen Lüfter, der direkt auf das Lufteinlassblech montiert ist.

Bild 2: Der Strömungsverlauf im Gerät ohne Leitblech (links) und Strömungsverlauf im Gerät mit Leitblech (rechts) (Archiv: Vogel Business Media)

Das Netzteil ist mit der langen Gehäuseseite in vertikaler Richtung auf die DIN-Schiene montiert. Der Lüfter saugt somit die Luft unterhalb des Gerätes an und drückt sie durch das Gehäuse nach außen. Der Auslass erfolgt über ein Lüftungsgitter auf der Oberseite des Gerätes. In Bild 2 ist links der Strömungsverlauf im Gerät zu sehen, wie er sich ohne luftführende Maßnahmen einstellt. Es ist deutlich sichtbar, dass ein Großteil der Luft über die beiden Kühlkörper hinweg strömt. Fügt man ein Luftleitblech ein (Bild 2 rechts), wird die Kühlung der Kühlkörper erheblich verbessert. Dies wird erreicht, indem die Luft gezielt auf die Kühlkörper in Richtung Leiterkarte gelenkt wird. Mit diesem erhöhten Volumenstrom ist jetzt mehr Verlustleistung aus den genannten Bauteilen abführbar. Die Thermosimulation wird sich künftig noch mehr in der Entwicklung etablieren und ist aus diesem Bereich nicht mehr wegzudenken.

*Timur Uludag ist Entwicklungsingenieur bei MGV, München.

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