Kühlung von Leistungselektronik

 

Die Leistungselektronik ist das Schlüsselelement zwischen Energieerzeugung und Verbrauch. Von der Energiesparlampe bis hin zur Windkraftanlage sorgen leistungselektronische Bauelemente für eine effektive sowie effiziente Energienutzung. Hierbei ist eine genaue Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen erforderlich, da die Bauteile andernfalls thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind; dies hätte drastische Auswirkungen auf die Lebensdauer der Materialien. Ein effektiver Kühlkreislauf ist somit unabdingbar, um höchste Leistungsdichten auf kleinstem Raum zu realisieren.

Bauelemente und Kühlung


Oberflächentemperaturen in einem IGBT-Gehäuse

Die konventionellen Halbleiterbauelemente wie Dioden, IGBT und MOSFET werden hauptsächlich im Schalterbetrieb eingesetzt und in kompakte Leistungsmodule integriert. Die Modulen können grundsätzlich eine Ausführung mit- oder ohne wärmeleitende Grundplatte haben. Die Leistungsmodulen werden in einem gemeinsamen Schaltschrank zusammen mit ohmschen, kapazitiven oder induktiven Bauelementen installiert. Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, sind die Module in der Regel an einem gemeinsamen Kühlkörper befestigt. Manche Kühlkörper sind konzipiert, um ohne Lüfter zu funktionieren: durch die freie Konvektion wird die Wärme in die Umgebung abgeführt. Effektivere Kühlkörper benötigen allerdings Lüfter. Falls Kühlkörper nicht ausreichen, kann die Wärme mithilfe von einem Wasserkühlkreislauf oder sogar von Heatpipes abgeführt werden. Alle Kühlungsmethode lassen sich mit der 3D Strömungssimulation berechnen.

Der thermische Kontakt 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.

Kühlungsberechnung mit 3D-CFD

Die kleinste Simulation berücksichtigt nur die Package-Ebene. Falls mehr Details für eine korrekte thermische Betrachtung der Chips notwendig sind, sollte die Simulation die Board-, Schrank- oder sogar die Raum-Ebene umfassen.


Stromlinien durch die Kühlrippen eines Leistungsmoduls

Die Belüftung und die Kühlung solltne 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 zeitlichen 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 Frequenzumrichter-Schrank

Kühlung der ECU eines PKWs:
Unser Beratungsingenieur Hr. Segond hat einen Vortrag während der Siemens Simcenter Conference Europe 2019 in Amsterdam gehalten. Die Electronics Control Unit besteht aus einem Printed Circuit Board. Mehrere Modellierungen des PCBs wurden erläutert: -als erste wurde das PCB mit allen Details wie Durchganslöchern und Schichten modelliert 
 


– als zweite wurde das PCB durch ein einfaches Block ersetzt; die Wärmeleitfähigkeit wurde durch die Ergebnisse des komplexen Modells gemittelt.  Das einfache Modell erreicht im transienten Betrieb die gleiche Rechengenauigkeit wie das Modell mit dem detaillierten PCB.   Der Vortrag wird in Berlin am 05. November 2020 wiederholt.
Anmeldung

 


Ort:  Strausberger Platz1, Berlin