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.

Oberflächentemperaturen in einem IGBT-Gehäuse

Kühlkörper und Wärmeleitmedium TIM Thermomanagement

Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, sind die Module in der Regel an einem gemeinsamen Kühlkörper befestigt. Um die Wärme im Querschnitt zu verteilen kann eine wärmeleitende Grundplatte zwischen dem Modul und dem Kühlkörper plaziert werden. 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.

Bei der Montage vom Leistungsmodul zum Kühlkörper verbleiben kleine Luftblasen, die dem thermischen Widerstand stark erhöhen. Ein Wärmeleitmedium (Thermal Interface Material) in der Form eines Wärmeleitpads oder einer Wärmeleitpaste wird deshalb eingesetzt. Es ist in der Praxis unklar, wie genau das TIM aufgetragen und kompromiert ist: der resultierende thermische Widerstand ist daher nicht genau abgeleitet; was eine fehlerhafte thermische Berechnung zur Folge hat. Die genaueste Methode ist, den thermischen Widerstand zu messen; der Messwert ist dann eine Eingabe für die Berechnung.

Thermische Strömungssimulation mit 3D-CFD

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

Stromlinien durch die Kühlrippen eines IGBT-Leistungsmoduls

Thermische Modellierung von PCB

Leiterplatten, auch PCB genannt, bestehen aus mehreren Kupferschichten und leitenden Verbindungen (Leiterbahnen); die Verbindungen zwischen den Schichten werden mit Bohrungen (Vias) hergestellt; das ganze Volumen ist mit einem elektrisch isolierenden Material wie FR4 gefüllt. Aus CFD und aus CAD-Gesichtspunkten ist ein PCB eine sehr komplexe Geometrie. Das PCB kann entweder als komplexes Modell betrachtet werden, oder als anisotropischer viereckiger Block reduziert werden kann.
Wenn die Geometrie eines PCBs vorhanden ist, kann sie als CAD-Modell ins STEP-Format exportiert werden. Das CAD-Modell kann manuell korrigiert und vereinfacht werden bis es vom CFD-Tool angenommen wird. Diese Operation kann selbst für einen erfahrenen CAD-Fachmann mehrere Tage dauern. Die kommerziellen CFD-Softwares bieten sonst Tools, um das Model des PCBs zu vereinfachen, wie die FloEDA-Bridge für FloEFD. Dies eignet sich für nur für regelmäßige Anwendung.
Es ist empfohlen, schon in der Konzeptphase, die Leistungselektronik thermisch zu simulieren. In der Regel ist die komplette Geometrie des PCBs noch nicht erstellt worden; nur die Anzahl und die Dicke der Kupferschichten sind bekannt. Es ist hier nicht möglich, allgemeine Werte für die Wärmeleitfähigkeit des PCBs zu benutzen, insbesondere weil die thermischen Vias die Wärmeleitung durch den PCB verbessern. In einem Unternehmen können Ersatzmodelle für eine Kategorie von PCBs benutzt werden; diese wurden anhand von früheren Modellen ermittelt. Ein Hersteller von LED-Scheinwerfern kann zum Beispiel Standartwerte der Wärmeleitfähigkeit je für die PCBs des Blinkens, des Fernlichts, des Abblendlichts und des Anhaltens parat haben.