Eckdaten

Die hier beschriebene Technik des thermischen Schaltkreismodells liefert ein einfaches und nützliches Werkzeug für die Entwicklung und Charakterisierung eines effektiven Wärmemanagements für Powerkomponenten, ohne eine teure Software für thermische Simulationen kaufen und deren Einsatz lernen zu müssen.

Entwickler von Stromversorgungen können heute Schaltungen entwerfen, die in Bezug auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte beziehungsweise der verfügbaren Leistung in einem vorgegeben Volumen weitaus mehr bieten als noch vor wenigen Jahren. Möglich wurde dies durch den ständigen Fortschritt bei Halbleitern, die immer besseren Schaltungen sowie geschickte physikalische Konstruktionen mit einer viel höheren Performance in immer kleineren Gehäusen. Jede neue Generation kommt dem idealen Schaltungsverhalten – keine Schalt- und Leistungsverluste – näher. Mit einer realen Technologie lässt sich dieses Ideal jedoch höchstwahrscheinlich niemals erreichen.

Zwar werden die Komponenten immer besser, perfekt sind sie aber trotzdem nicht. Verluste, die eine ungewollte Wärmeentwicklung zur Folge haben, müssen weiterhin berücksichtigt werden. Dies führt zu teilweise paradoxen Ergebnissen. Trotz des Einsatzes von Komponenten und Topologien mit niedrigsten Verlusten bewirkt die Tatsache, dass immer mehr Leistung auf kleinstem Raum verarbeitet wird, eine Konzentration der noch vorhandenen Verluste auf diese kleinen Flächen und Volumina. Dies hat zur Folge, dass in Systemen mit unzureichend dimensionierter Kühlung, die thermischen Grenzen ausschlaggebender sind als die elektrischen. Komponenten erreichen die maximalen, in den Datenblättern spezifizierten Temperaturen noch bevor beispielsweise die maximalen Ausgangsströme erreicht werden. Dadurch kann die Wärmeentwicklung zum kritischen Punkt bei der Design-Entwicklung werden.

Kühle Bauteile leben länger

Ingenieure richten die thermischen Aspekte ihres Designs immer daraufhin aus, die Betriebstemperaturen der wichtigen Komponenten möglichst niedrig zu halten. Die seit langem geltende Faustregel trifft immer noch zu: mit jeweils zehn Grad Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebensdauer der Komponenten. Daher ergibt sich durch geringere Betriebstemperaturen eine höhere Zuverlässigkeit. Das thermische Verhalten während der Entwicklung richtig vorherzusagen, ist keine einfache Aufgabe. Vor allem auch deshalb, weil durch die Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung ein großzügig dimensionierter Kühlkörper oftmals nicht möglich ist.

Der Schlüsselparameter in allen thermischen Kalkulationen ist die Sperrschichttemperatur Tj. Sie war bereits bei den ersten Transistoren die Betriebstemperatur von Silizium oder anderen Halbleiterwerkstoffen, dort wo der Schaltvorgang stattfindet. Zwischen diesem Bereich und der thermischen Schnittstelle zur Umgebung befinden sich etliche komplexe Strukturen, die für die Wärmeleitung Barrieren oder Widerstände darstellen, über welche die Wärme entweichen kann. Der Halbleiterchip befindet sich auf einem Substrat oder Lead Frame. Bonddrähte helfen beim Abtransport der Wärme, während Lagen von Vergussschichten dies behindern.

In einem komplexen Bauelement gibt es verschiedene Wärmequellen. Die gesamte Temperaturerhöhung an jedem Punkt ist die Summe der dort erzeugten Wärme plus die der Komponenten in der näheren Umgebung. Sogar der Punkt mit der größten Temperaturerhöhung in einem Bauteil kann sich bei Betrieb mit unterschiedlichen Ein- oder Ausgangsspannungen oder verschiedenen Kühlkonzepten ändern. Erschwerend kommt hinzu, dass der Widerstand von Kupfer und anderen Materialien mit steigender Temperatur zunimmt. Bei 100 °C hat Kupfer einen um 30 % höheren elektrischen Widerstand als bei 25 °C. Aus diesem Grund sollte die Temperatur so niedrig wie möglich gehalten werden, da ein Anstieg zu höheren Widerständen und damit zu proportional ansteigenden Verlusten führt. Es gibt gut entwickelte Techniken, um die maximale Temperatur innerhalb dieser Strukturen als Modell nachzubilden, sie erfordern jedoch oftmals finite Elemente und computergestützte Strömungsdynamik. Daher sind sie nicht für eine schnelle, tägliche Berechnung während eines Entwicklungsprozesses geeignet.

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