Wie bekannt und hinreichend in der Fachliteratur beschrieben, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Bauteis und seiner Lebensdauer. Neben Vibrationen, Feuchtigkeit und Staub sind thermische Belastungen eine Haupteinflussgröße für den Funktionsausfall elektronischer Systeme und Komponenten. Überschlägig gilt, dass mit einer Temperaturerhöhung von zehn Kelvin die Lebensdauer auf die Hälfte sinkt. Speziell die Entwärmung von Hochleistungshalbleitern, wie IGBTs, IGCTs und GTOs, stellt so manches Entwärmungskonzept vor eine besondere Herausforderung.

Weg mit der Wärme

Die bei Leistungshalbleitern auftretenden Durchlass- und Schaltverluste erzeugen, trotz enormer Herstellungsfortschritte in punkto Wirkungsgradverbesserung, erhebliche Wärmemengen, die die Entwickler durch effiziente Kühlsysteme abführen müssen. Ein weiteres Hindernis stellen die angestrebten kompakten Bauteilgrößen dar, welche nicht proportional mit den gestiegenen Verlustleistungen gewachsen sind. Hier sind nun die Kühlkörperhersteller gefordert und gefragt ihrerseits leistungsfähige Varianten für die freie oder forcierte Konvektion zu entwickeln. Spezielle Applikationen in der Leistungselektronik erfordern oftmals aufgrund verschiedener Randbedingungen ein passives Entwärmungskonzept auf Basis der freien Konvektion.

Klassische Standardkühlkörper gelangen bei hohen Verlustleistungen aufgrund ihrer Geometrie und ihrem Aufbau hinsichtlich ihrer Wärmeableitung häufig an ihre Grenzen. Speziell konzipiert für die Ableitung großer Verlustleistungen bei natürlicher Konvektion sind die sogenannten Hochleistungskühlkörper (Bild 1), welche in Summe die leistungsfähigsten Varianten der gebräuchlichen Kühlkörper darstellen. Der stranggepresste Kühlkörperboden enthält eine Einpressgeometrie, in der je nach Applikation, verschiedenartige Voll- aber auch Hohlrippen (forcierte Konvektion in Verbindung mit Lüftermotoren) eingepresst werden.

Den Wirkungsgrad verbessern

 Bild 1: Hochleistungskühlkörper dienen zur Ableitung großer Verlustleistungen.

Bild 1: Hochleistungskühlkörper dienen zur Ableitung großer Verlustleistungen.Fischer Elektronik

Die kannelierte Oberflächenstruktur der einzelnen Rippenelemente bewirkt eine zehnprozentige Wirkungsgradverbesserung gegenüber herkömmlichen Glattrippen. Der stabile Kühlkörperboden mit einer Materialstärke von 15 bis 20 mm erzielt eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers und sichert mittels angepasster Aufnahmegewinde eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter. Die optimale wärmetechnische Montage der Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörper wird allerdings oft aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erschwert.

Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen. Unter Beachtung sämtlicher mechanischer Toleranzen sollte der Ingenieur stets auf eine einwandfreie wärmetechnische Kontaktierung der Halbleiterbauelemente auf dem Kühlkörper achten, zumal verbesserte Wärmeübergangswiderstände einen wesentlichen Anteil an der sicheren Halbleiterfunktion haben; sie stellen einen nicht zu vernachlässigenden Faktor für eine gute thermische Funktionalität dar.

Die Luft als Hilfsmittel

Die wirklich großen thermischen Verlustleistungen, wie für Umrichter oder Schaltanlagen, liegen oft in der Größenordnung einiger Kilowatt und lassen sich mittels passiver Hochleistungskühlkörper fast nicht mehr entwärmen. Applikationsbedingt sind die Gründe hierfür vielfach die geometrischen Abmessungen und besonders das Gewicht des Kühlkörpers. Es kommt erschwerend hinzu, dass Aluminium als Kühlkörperwerkstoff, wie andere Materialien auch, eine begrenzte materialspezifische Wärmeleitfähigkeit besitzt, weshalb eine Oberflächenvergrößerung nur rechnerisch die erforderliche Wärmemenge ableiten kann. Abhilfe leisten in diesem Fall lüfterunterstützte Entwärmungskonzepte, sogenannte Lüfteraggregate (Bild 2).

Bild 2: Effiziente Lüfteraggregate liefern einen guten thermischen Wirkungsgrad in Verbindung mit leistungsstarken Lüftermotoren.

Bild 2: Effiziente Lüfteraggregate liefern einen guten thermischen Wirkungsgrad in Verbindung mit leistungsstarken Lüftermotoren.Fischer Elektronik

Deren Aufbau und die Geometrie der Wärmetauschflächen sind jeweils auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt und arbeiten daher effektiv. Unterschiedliche Lüfterkonzepte finden ihre Anwendung, wobei neben den axialen und tangentialen Ventilatoren die besseren Luftleistungswerte der Diagonal- und Radiallüftermotoren eine erhebliche Effizienzsteigerung der Wärmeableitung erbringen. Neben den Kühlkörperlüfteraggregaten, bei denen man einen Standardkühlkörper mit einem Lüftermotor zu einem Aggregat aufbaut, beinhaltet die Produktgruppe der Lüfteraggregate ebenso Ausführungen als Miniatur- und Segmentlüfteraggregat.

Die schwierig im Extrusionsverfahren herstellbaren Miniaturlüfteraggregate bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen. Die speziell auf den Lüftermotor angepasste Geometrie sichert auf wenig Raum einen guten Wärmeübergang und eine hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wärmeableitung. Sie ermöglicht den kompakten Aufbau, eine direkte Montage auf der Leiterkarte, andere Ausführungen durch eine besondere Clipsgeometrie sowie die direkte Bauteilmontage an dem Lüfteraggregat mittels spezieller Klammerbefestigungen.

Lüfteraggregate segmentieren

Eine weitere Untergruppe der Lüfteraggregate für größere Verlustleistungen bilden die modular aufgebauten Segmentlüfteraggregate. Bei diesem Aggregataufbau lassen sich sowohl geviertelte Kreissegmente (Strangpressprofile), als auch abschnittsweise Längselemente mit innenliegenden Rippen so zusammenbauen, dass die vom angeschraubten Lüftermotor erzeugte Luftströmung durch diesen Rippentunnel führt. Die Halbleitermontage der zu entwärmenden Bauteile erfolgt auf den jeweiligen Segmenten, wobei es möglich ist, die einzelnen Segmente voneinander elektrisch und thermisch zu isolieren. Die mechanische Stabilität und die Befestigung der Lüftermotoren erfolgt durch zwei Endplatten, welche man über isolierte Gewindestangen hält und spannt.

Bild 3: Lüfteraggregate mit eingepressten und zusätzlichen kannelierten Hohlrippen liefern kleine Wärmewiderstände.

Bild 3: Lüfteraggregate mit eingepressten und zusätzlichen kannelierten Hohlrippen liefern kleine Wärmewiderstände.Fischer Elektronik

Die Hohlrippenlüfteraggregate (Bild 3) finden ihren Einsatz für die Wärmeableitung höherer Verlustleistungen und der Erfordernis nach größeren Halbleitermontageflächen. Einseitig oder auch doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung, dienen aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten. Der innere Rippentunnel besteht aus kannelierten Hohlrippen, welche sich mechanisch mittels spezieller Vorrichtungen und Werkzeuge, formschlüssig und wärmetechnisch optimiert in ein extrudiertes Basisprofil aus Aluminium einpressen lassen.

Die gewellte Rippenstruktur erzielt bei der Wärmeableitung gegenüber Glattrippen eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung. Mithilfe dieser Oberflächenstruktur wird im Luftkanal eine turbulente Strömung erzielt, um einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft zu erreichen.

Mehr Leistung möglich

In Summe ergeben die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz Leistungsverbesserungen. Bei erhöhter Turbulenz steigt jedoch gleichfalls der sich im Lüfteraggregat erhöhende Gegendruck (Staudruck), der dem Durchströmen der Luft entgegenwirkt. Ihn zu überwinden erfordert leistungsstarke Lüftermotoren, um den Rippenkanal ausreichend mit Luft zu durchströmen. Die Applizierung der Luft erfolgt bei diesen Lüfteraggregaten durch Axiallüftermotoren, das heißt, dass der Lüfter die Luft axial ansaugt und auch axial in Richtung der Wärmetauschfläche ausbläst. Die Vorteile dieser Lüftermotoren sind ihr hoher Volumenstrom bei mittlerem Druck, ihr kompakter Aufbau und ihr relativ günstiger Preis.

Die Verwendung von Radiallüftermotoren führt in Verbindung mit den Hohlrippengrundprofilen zu einer deutlicheren Leistungssteigerung der Wärmeableitung. Mit Förderleistungen von bis zu 1400 m3/h sind kleine Wärmewiderstände im Bereich von 0,015 K/W zu erreichen. Die damit zu realisierenden Hochleistungslüfteraggregate können großformatig sein und besonders, auch in der Aggregatlänge, erheblich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen.

Bild 4: Hartlöten in einem speziellen Herstellungsverfahren ermöglicht kompakte Wärmetauschflächen.

Bild 4: Hartlöten in einem speziellen Herstellungsverfahren ermöglicht kompakte Wärmetauschflächen.Fischer Elektronik

Flächen zum Wärmetausch

Kompakte und effiziente Wärmetauschflächen liefern in der Rubrik der Lüfteraggregate die sogenannten Hochleistungslamellenlüfteraggregate (Bild 4), welche ein besonderes Herstellungsverfahren durchlaufen. Der mechanische Aufbau dieser Lamellenaggregate besteht aus einem aus Einzelteilen zusammengesetzten Tubus. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten sind mit einer wabenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke sind zu Montageplatten zusammengefügt.

Die so entstandene Gesamtkonstruktion wird in einem speziellen Arbeitsschritt hart gelötet; die Komponenten sind so mechanisch und wärmetechnisch verbunden. Die von den Montageplatten aufgenommene Wärme gelangt über die einzelnen Stegplatten zu der Wabenstruktur und wird letztendlich an die durchströmende Luft abgegeben. Das Herstellungsverfahren ermöglicht Lüfteraggregaten eine deutlich dichtere und damit größere Wärmetauschfläche, welches bei der Wärmeableitung Vorteile mit sich bringt.

Die dichte Wabenstruktur erfordert allerdings Lüftermotoren mit einem hohen Druckaufbau, welche die geförderte Luft durch den kompakten Rippentunnel über die Gesamtlänge des Aggregates drücken können. Prädestiniert für diese Art der Anwendung sind Diagonallüfter. Die Lüftertypen saugen die Luft ebenfalls axial an, jedoch erfolgt die Ausströmung diagonal, wobei sich durch eine konische Lüfterrad- und Gehäuseform die angesaugte Luft höher verdichtet und somit neben dem hohen Luftvolumen ein höherer Druckaufbau gegeben ist.