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 Leistungsmodule 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 mit Hilfe 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.


Stromlinien durch die Kühlrippen eines Leistungsmoduls

Kühlungsberechnung

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.

Die Kühlung und Belüftung ist möglichst in der Entwurfsphase zu dimensionieren. Hier bietet sich die 3D-thermische Strömungssimulation 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 ergeben sich dann Optimierungspotentiale, welche durch weitere thermische Simulationen abgesichert und realisiert werden.


Stromlinien in einem Frequenzumrichter-Schrank

Aufgenommener  Webinar:
Cooling of a Wind Power Station IGBT
Lernen Sie: - weshalb Frequenzumrichter Kühlung brauchen - weshalb die richtigen Eingaben der thermischen Widerstände entscheidend ist - zeitabhängige CFD-Berechnungen aufzusetzen.

Aktuell:
Artikel im Mai 2017 über E-Cooling in
Zeitschrift Engineering Edge
(Artikel auf Seiten 18-19)

Startseite  I  Beratung  I  Kontakt