Was Simulationssoftware für das Wärmemanagement bringen kann

Anbieter zum Thema

CADFEM Germany GmbH

ALPHA-Numerics GmbH

RECOM Power GmbH

Und hier sind wir auch schon beim ersten Kapitel, in welchem wir uns zuerst mit dem thermischen Ersatzmodell eines IGBT auseinandersetzen. Zum Basiswissen: Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: insulated gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, welches sich durch seine Robustheit gegenüber Kurzschlüssen besonders auszeichnet. IGBTs sind im Prinzip eine Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs.

Aufgeschnitten sieht man, dass der IGBT aus einer filigranen Metallstruktur besteht, eingebettet in einem Kunststoffgehäuse (Bild 3). Neben den punktuellen Wärmequellen besitzt der IGBT eine Metallfläche, welche die Wärme zielgerichtet spreizt und gerichtet auf die Basisseite ableitet. Diese Kontaktfläche dient zur direkten Anbindung an eine Kühlfläche.

In unserem Beispiel betrachten wir die 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, Wärmewiderstand Junction-Case R_jc = 8,5 K/kW, typische Paste α = 1 W/mK, höchstzulässige Sperrschichttemperatur T_j,max = 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.

Die Arbeit, den thermischen Widerstand dieser verschiedenen Pasten zu bestimmen, nimmt uns das Simulationswerkzeug ab. Auch bei Variantentests mit unterschiedlichen 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 dem simulierten Gradienten entspricht. Im ersten Test simuliert man den IGBT blank bei perfektem Kontakt auf der Kühlplatte und erwartet hier den Datenblattwert von 8,5 K/kW.

(ID:35569340)