Kühlkörper für die Leistungselektronik

Thermomanagement mit Kühlkörpern

Module werden meist auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert, der die entstehende Verlustwärme abführt. Um eine gleichmäßigere Wärmeverteilung zu erreichen, kann zwischen Modul und Kühlkörper zusätzlich eine wärmeleitende Grundplatte eingesetzt werden.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen passiven und aktiven Kühlkörpern. Passive Kühlkörper arbeiten ohne Lüfter und geben die Wärme über freie Konvektion sowie Wärmestrahlung an die Umgebung ab. Aktive Kühlkörper hingegen nutzen einen Lüfter, um die Luftströmung gezielt zu verstärken und die Wärme durch erzwungene Konvektion schneller abzuführen.
Sollte die Kühlleistung dennoch nicht ausreichen, können leistungsfähigere Konzepte wie Wasserkühlungen oder Heatpipes eingesetzt werden, um die Wärme noch effektiver abzutransportieren.
Alle genannten Kühlmethoden lassen sich mithilfe moderner 3D-CFD-Strömungssimulationen detailliert berechnen, analysieren und bereits in der Entwicklungsphase optimal auslegen.

Thermische Kontaktmaterialien (TIM)

Beim Montieren der Module können sich kleine Lufteinschlüsse zwischen den Kontaktflächen bilden, was den thermischen Widerstand deutlich erhöht. Um dies zu minimieren, werden sogenannte Thermal Interface Materials (TIM), wie Wärmeleitpads oder -pasten, verwendet. In der Praxis ist jedoch oft unklar, wie das TIM tatsächlich aufgetragen und komprimiert wurde, sodass der exakte thermische Widerstand schwer zu bestimmen ist. Dies kann zu Ungenauigkeiten bei thermischen Berechnungen führen. Am zuverlässigsten ist daher die direkte Messung des thermischen Widerstands, um diesen Wert als Basis für weitere Berechnungen zu verwenden.

Herstellung von Kühlkörpern

Bevor mit dem Design eines Kühlkörpers begonnen wird, muss entschieden werden, wie er hergestellt werden soll. Das Herstellungsverfahren beeinflusst stark die thermische Leistung, die Kosten, die Materialwahl und die realisierbare Geometrie des Kühlkörpers. Aluminium ist das bevorzugte Material, da es einen geringen Wärmewiderstand besitzt, leicht ist und sich gut verarbeiten lässt.
Stranggepresste Kühlkörper sind die günstigste Lösung. Aluminium lässt sich leicht durch eine Strangpressmatrize drücken, wodurch lange Profile mit gleichbleibenden Querschnitten effizient hergestellt werden können. Diese Methode wird häufig für Standardanwendungen verwendet, bei denen eine moderate thermische Leistung und niedrige Kosten erforderlich sind.
Geklebte Kühlkörper (Bonded heat sinks) sind etwas teurer, da Rippen und Basis getrennt sind. Bei diesem Ansatz werden die Rippen unabhängig gefertigt und dann mit thermischen Klebstoffen, Hartlöten oder Löten auf die Basis geklebt. Dies ermöglicht eine höhere Rippendichte und flexiblere Designs im Vergleich zum Strangpressen, allerdings auf Kosten höherer Herstellungskosten.
3D-Druck ermöglicht hochkomplexe und optimierte Kühlkörpergeometrien, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind. Es ist jedoch schwierig, Aluminium in vielen additiven Fertigungsverfahren zu verwenden, und die Kosten für den Metalldruck sind hoch. Daher werden oft Materialien mit relativ schlechter Wärmeleitfähigkeit wie Kunststoffe oder polymerbasierte Verbundwerkstoffe verwendet. Dies schränkt die thermische Leistung von 3D-gedruckten Kühlkörpern erheblich ein, weshalb diese Technologie eher für Prototyping oder Anwendungen mit geringer Leistung als für Hochleistungs-Thermomanagement geeignet ist.
Druckguss eignet sich für die Großserienproduktion von Kühlkörpern mit komplexen Formen. Geschmolzenes Metall wird in eine Form gespritzt, was eine gute Maßgenauigkeit und Wiederholbarkeit ermöglicht. Die Wärmeleitfähigkeit kann jedoch aufgrund der Materialstruktur geringer sein als bei stranggepresstem oder bearbeitetem Aluminium.
CNC-Fräsen wird verwendet, wenn hohe Präzision, kundenspezifische Designs oder kleine Produktionsserien erforderlich sind. Aus massiven Blöcken gefräste Kühlkörper bieten eine hervorragende thermische Leistung und Designflexibilität, aber diese Methode ist aufgrund von Materialabfall und Bearbeitungszeit im Allgemeinen am teuersten.

Design von stranggepressten Kühlkörpern

Stranggepresste Kühlkörper werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz und zuverlässigen Leistung standardmässig für das Thermomanagement in technischen Anwendungen eingesetzt. Kühlkörper können mit freier Konvektion arbeiten, bei der Wärme passiv an die Umgebungsluft abgegeben wird, oder mit erzwungener Konvektion, bei der Lüfter oder Gebläse aktiv Luft über die Rippen bewegen, um den Wärmeübergang zu verbessern. Jede Kühlmethode erfordert einen anderen Designansatz, um eine optimale Effizienz zu erreichen.
Ein typischer Designfehler ist der Versuch, die Leistung durch Vergrößerung der Kühlfläche durch Hinzufügen von mehr Rippen zu maximieren. Dies mag zwar vorteilhaft erscheinen, führt jedoch zu einem erhöhten Druckabfall. Infolgedessen wird der Luftstrom durch den Kühlkörper reduziert und die Lufttemperatur erhöht. Dies kann letztendlich zu erhöhten Chiptemperaturen führen.

Wasserkühlung mit Kühlplatten

Wasserkühlung mit Kühlplatten hat eine bessere thermische Leistung als Luftkühlung. Ein flüssiges Kühlmittel zirkuliert, typischerweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, durch Kanäle innerhalb einer Metallplatte, um Wärme effizient aufzunehmen und von den Komponenten wegzutransportieren. Die Auslegung der internen Kanäle, die oft mit Rippen oder Pins versehen sind, ist entscheidend für die Maximierung der Wärmeübertragungsfläche bei gleichzeitiger Minimierung des Druckabfalls. CFD ist das richtige Werkzeug zur Optimierung dieser Designs und ermöglicht es Ingenieuren, thermische Effizienz mit hydraulischer Leistung in Einklang zu bringen. Diese Methode stellt sicher, dass die Chips auch unter hohen elektrischen Lasten innerhalb sicherer Temperaturgrenzen arbeiten.

Stromlinien durch den Kühlkörper eines IGBT-Leistungsmoduls

Parametervariation und Design of Experiments (DoE)

Die Fachliteratur zu Kühllösungen ist oft veraltet und spiegelt möglicherweise weder die aktuellen Best Practices noch die spezifischen Konstruktionsanforderungen wider. Es ist effizienter, die CFD-Entwicklung auf der Basis eines bewährten vorherigen Designs zu beginnen.
Das Modell des Leistungsmoduls mit seiner Kühlvorrichtung ist recht klein und die Rechenzeit ist kurz. Eine große Anzahl von Simulationen, in der Regel bis zu 100, kann daher durchgeführt werden, um das Kühlkörperdesign zu optimieren.

Die Parametervariation für einen Kühlkörper beinhaltet die Änderung spezifischer geometrischer Variablen wie Rippendicke, -höhe oder -abstand, um deren Auswirkungen auf den thermischen Widerstand und den Druckabfall zu beobachten. Die Parametervariation für eine Kühlplatte beinhaltet die Änderung der Anzahl und Größe der Pins oder Rippen. Dieser Ansatz hilft Ingenieuren zu verstehen, wie empfindlich das Design auf einzelne Änderungen reagiert. Das Variieren von Parametern nacheinander berücksichtigt jedoch keine Wechselwirkungen zwischen ihnen, was das Potenzial zum Finden des wirklich optimalen Designs einschränken kann.

DoE hilft, die Anzahl der Simulationen zu verringern, die erforderlich sind, um einen weiten Designraum zu erkunden. Während das Design von Standard-Strangpresskühlkörpern kaum noch verbessert werden kann, erfordert die Optimierung komplexerer Kühlkörper einen systematischen Ansatz. Eine Design of Experiments (DoE)-Studie ist eine effektive Methode hierfür, die eine Reihe automatisierter Simulationen umfasst, um den Designraum zu erkunden und die einflussreichsten Parameter zu identifizieren.