Wie Sie IGBTs mit hoher Verlustwärme effizient kühlen

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Cool Tec Electronic GmbH

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Mit dem Prinzip der Kühlung durch Verdampfung lassen sich Verlustleistungen im Kilowatt-Bereich abführen. Das eröffnet zahlreiche Potenziale für die Siede-Wasserkühlung in der Leistungselektronik.

Eine hohe Wärmeentwicklung stellt zunehmend ein Problem in elektronischen Systemen dar. Insbesondere leistungselektronische Anwendungen stehen vor der Herausforderung, die hohe Verlustwärme bei IGBTs abzuführen.

Für derartige Anwendungen hat Cool Tec eine kombinierte Siede-Wasserkühlung vorgestellt, die aus einem Siedemodul besteht, das die IGBT-Bauteilwärme durch Verdampfung aufnimmt und einem Plattenwärmeübertrager (kurz: PWÜ) zuführt, der durch Kondensation die Wärmeenergie auf einen externen Wasserkreislauf überträgt. Im System zirkuliert ein elektrisch hoch isolierendes Niederdruckkältemittel, das kontinuierlich im Naturumlauf die Phasenwechsel Verdampfung und Verflüssigung durchläuft.

Siedemodul und PWÜ sind als kompakte Wärmetauscher ausgeführt, die raumsparend hohe Verlustwärmemengen übertragen können. Über ein spezielles Press-Verbundrohrsystem können zwischen Siedemodul und PWÜ notwendige Isolationstrecken für Mittel- und Hochspannungsbauteile realisiert werden, was neue Anwendungen in der High-Voltage-Applikationen und der EMV-Technik eröffnet.

Die Siedekühlung kann darüber hinaus mit einem luftgekühlten Lamellenkondensator kombiniert werden, der in einem Schaltschranksystem montiert ist. Das System ermöglicht die Kühlung von IGBT-Bauteilen in einer Offshore-Windkraftanlage, wobei der kanalisierte Luftstrom der salzhaltigen Seeluft räumlich getrennt an der Leistungselektronik vorbeigeführt wird.

Das Prinzip der kombinierten Siede-Wasserkühlung

Die kombinierte Siede-Wasserkühlung ist ein Wärmeübertragungssystem, das nach dem Thermosyphon-Prinzip arbeitet. Durch intensives Sieden bzw. Verdampfen eines elektrisch hoch isolierenden Kältemittels wird die Verlustwärme des Bauteils in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird über eine Steigrohrleitung in einen wassergekühlten Plattenwärmeübertrager, hier in der Funktion des Kondensators, geleitet und dort wieder verflüssigt. Als Niederdruckkältemittel werden Fluide der Solkane-Reihe eingesetzt, deren Siedepunkte unter Atmosphärendruck bei
T = 36 °C liegen.

Der Siede- und Kondensationskreislauf arbeitet im Naturumlauf und benötigt keine zusätzliche Pumpentechnik. Der Dampf strömt selbständig in den Plattenkondensator, der oberhalb vom Siedemodul positioniert ist, somit kann das verflüssigte Kondensat unter Ausnutzung der Gravitation über ein Rücklaufrohr in das Siedemodul zurückfließen. Auf diese Weise entsteht ein kontinuierlicher Kreislauf.

Im Siedemodul sorgen mikrostrukturierte Oberflächen an der Innenwand für extrem hohe Verdampfungsraten, sodass Verlustwärmemengen im kW-Bereich bei stabiler Betriebstemperatur am Bauteil abgeführt werden können.

Hohe Wärmemengen lassen sich durch den intensivierten Siedeprozess bei geringen Temperaturdifferenzen effizient abführen. Über das Siedemodul können Wärmeflüsse bis zu 300 kW/m², also 3 kW/dm², abgeführt werden. Der PWÜ wird an einen externen Wasserkreislauf angeschlossen, über den die übertragende Verlustwärme abtransportiert wird. Bild 1 zeigt den Aufbau einer kombinierten Siede-Wasserkühlung.

Die Leistungskennzahlen des Systems

Bei einer anfallenden Verlustleistung von 3000 W auf einer Montagefläche von 300 cm² entsteht ein Wärmefluss von 100 kW/m², den das Siedemodul aufnimmt und in Dampf umsetzt. Bei einer Verdampfungsenthalpie des Kältemittels von 126 kJ/kg wird ein Dampfmassenstrom von 24 g/s und ein Volumenstrom von 10 m³/h erzeugt, der im PWÜ vollständig verflüssigt wird, wobei das Kältemittel mit 1 l/min in das Siedemodul zurückfließt.

Der PWÜ wird über einen externen Kreislauf mit Kühlwasser versorgt, das eine Eintrittstemperatur von 20 °C und einen Durchfluss von 6 l/min besitzt. Der Dampfdruck im System beträgt 200 kPa (2 bar) bei einer Dampftemperatur von 60 °C, die Temperatur auf der Montagefläche des Siedemoduls liegt bei 75 °C.

Durch die Kombination eines elektrisch hochisolierenden Kältemittels mit Verbundrohren lässt sich eine nicht leitende Isolationsstrecke zwischen dem Bauteil am Siedemodul, z.B. dem IGBT, und der externen Wasserkühlungsstrecke am Plattenkondensator realisieren. Das gesamte System kann unter Atmosphärendruck, d.h., ohne Evakuierung, mit Kältemittel befüllt werden. Die kombinierte Siede-Wasserkühlung ist somit gut geeignet für Anwendungen in der Mittel- und Hochspannungstechnik. Bild 2 veranschaulicht schematisch die Isolationsstrecke durch das Schaltersymbol „offen“.

IGBTs im Schaltschrank von Offshore-Windkraftanlagen kühlen

Anstelle eines wassergekühlten PWÜ kann das Siedemodul auch mit einem luftgekühlten Lamellenwärmetauscher kombiniert werden, der die Funktion des Kondensators übernimmt. Als industrielles Anwendungspotenzial realisiert das Unternehmen die Entwärmung von Schaltschranksystemen für Windkraftanklagen: Eine Steuerungseinheit für einen Windkraftgenerator, bestehend aus sechs IGBT mit einer Gesamtverlustleitung von 14 kW, ist in einem Schaltschrank angeordnet. Jeder IGBT ist mit einem Siedemodul bestückt, das die Verlustwärme aufnimmt und den Dampfstrom in einen gemeinsamen luftgekühlten Kondensator führt.

Der Luftstrom wird kanalisiert durch die Kondensatorlamellen geführt und berührt die IGBT-Module nicht. Somit ist es möglich bei einer Offshore-Anlage die Seeluft anzusaugen und als Kühlungsluft durch den Kondensator zu führen und anschließend in die Außenluft zurückzuleiten. Die Elektronik wird vor Verunreinigungen durch die salzhaltige Außenluft geschützt, gleichzeitig kann eine stabile Bauteiltemperatur gewährleistet werden.

Auf diese Weise lassen sich Schaltschranksysteme mit hohem IP-Schutzgrad entwickeln. Durch den Einsatz des Siedekühlungssystems können die Betriebstemperaturen der IGBT-Komponenten bei maximaler Auslastung stabil unterhalb 70°C gehalten werden und erhöht somit Wirkungsgrad und Lebensdauer der gesamten Steuerungseinheit. Bild 3 zeigt einen Schaltschrank in der Montagevorbereitung.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

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* Dr. Andreas Schulz ist Entwicklungsleiter bei Cool Tec Electronic in Großbreitenbach.

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