CFD Kühlungsberechnungen für Leistungselektronik

Die Leistungselektronik ist das Schlüsselelement zwischen Energieerzeugung und Verbrauch. Von der Energiesparlampe bis hin zur Windkraftanlage oder Photovoltaikanlage sorgen leistungselektronische Bauelemente für eine effiziente Energienutzung.

Leistungsmodule mit Dioden, IGBT oder MOSFET

Die Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen ist erforderlich, da die Chips andernfalls thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind; dies hätte drastische Auswirkungen auf die Lebensdauer der Materialien. Ein effektiver Kühlkreislauf ist unabdingbar, um höchste Leistungsdichten auf kleinstem Raum zu realisieren.
Die konventionellen Halbleiterbauelemente wie Dioden, IGBT und MOSFET werden hauptsächlich im Schalterbetrieb eingesetzt und in kompakte Leistungsmodule integriert. Die Leistungsmodulen können grundsätzlich eine Ausführung mit- oder ohne wärmeleitende Grundplatte haben.

Oberflächentemperaturen in einem IGBT-Gehäuse

Kühlkörper und Wärmeleitmedium TIM

Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, sind die Module in der Regel an einem gemeinsamen Kühlkörper befestigt. Passive Kühlkörper sind konzipiert, um ohne Lüfter zu funktionieren: durch die freie Konvektion wird die Wärme in die Umgebung abgeführt. Aktive Kühlkörper haben einen elektrisch angetriebenen Lüfter und die Kühlung erfolgt per erzwungene Konvektion. Kühlkörper bestehen meist aus Aluminium und haben einen sehr geringen Wärmewiderstand. Falls Kühlkörper nicht ausreichen, kann die Wärme mithilfe von einem Wasserkühlkreislauf oder sogar von Heatpipes abgeführt werden. Alle Kühlungsmethode lassen sich mit der 3D-CFD Strömungssimulation berechnen.

Der thermische Kontakt vom Leistungsmodul zum Kühlkörper erfolgt mit einem Wärmeleitmedium (Thermal Interface Material). Es ist in der Praxis unklar, wie genau die Schicht aufgetragen ist: der resultierende thermische Widerstand ist daher nicht genau abgeleitet, was eine fehlerhafte thermische Berechnung zur Folge hat. Die beste Methode ist, den thermischen Widerstand zu messen; dafür können komplette Messsysteme wie T3ster benutzt werden.

Gleichrichter oder Wechselrichter im Gehäuse oder Schrank

Die Leistungsmodulen werden in einem gemeinsamen Schaltschrank zusammen mit ohmschen, kapazitiven oder induktiven Bauelementen installiert.
Die kleinste Simulation berücksichtigt nur die Package-Ebene. Falls mehr Details für eine korrekte thermische Betrachtung der Chips notwendig sind, sollte die Simulation das Board, der Schrank oder sogar den ganzen Raum umfassen

Thermische Strömungssimulation mit 3D-CFD

Stromlinien durch die Kühlrippen eines IGBT-Leistungsmoduls

Die Belüftung und die Kühlung sollte in der Entwurfsphase dimensioniert werden. Hier bietet sich die 3D Computational Fluid Dynamics als ideales Werkzeug an. Mögliche Hotspots können mit CFD-Berechnungen lokalisiert und somit vermieden werden. Mit relativ geringem zeitlichem Aufwand lassen sich mit den heutigen Berechnungsmethoden schnell Ergebnisse erzielen. Aus diesen Ergebnissen werden Optimierungspotentiale sichtbar, welche durch weitere Simulationen oder Parametervariationen, intern oder mit Hilfe von einem externen Ingenieurbüro, realisiert werden.
CFD Tools wie FloTherm oder FloEFD arbeiten mit kartesischem Gitter und sind für die Belüftung und Kühlung der Elektronik spezialisiert, sie sind wesentlich besser geeignet als Tools mit komplexer Gittergenerierung. 

Stromlinien in einem Wechselrichter-Schrank