Wie kühlt man ein Netzteil?

Da kein elektrisches System zu 100 Prozent effizient arbeitet, muss ein Teil der eingespeisten Energie zwangsläufig als Wärme abgeführt werden. Deshalb muss das Entwicklungsteam abschätzen, wie viel Wärme entsteht, welche maximale Betriebstemperatur zulässig ist und welche Kühlstrategie dafür am besten geeignet ist. Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um eine rein elektrische Fragestellung: Wärmeableitung erfordert die Zusammenarbeit des gesamten Teams, um sicherzustellen, dass auch mechanische und konstruktive Anforderungen wie Bauraum, Gewicht und Gehäusedesign eingehalten werden.

Die geeignete Kühlung finden

Stromversorgungen werden immer kompakter und stellen dennoch einen immer höheren Funktionsumfang bereit. Um sie vor Überhitzung, Abschaltung oder gar Ausfall zu schützen, spielt das angepasste Wärmemanagement eine zentrale Rolle.

Passive Kühlung durch natürliche Konvektion

Grundsätzlich gibt es zwei zentrale Ansätze, um die in elektronischen Systemen entstehende Wärme zu beherrschen: passive und aktive Kühlung. Bei der passiven Kühlung wird die Wärme allein durch physikalische Effekte, insbesondere durch natürliche Konvektion, an die Umgebung abgegeben.

Die Dokumentation des verwendeten Netzteils liefert hierzu wichtige Hinweise, etwa zu Temperaturbereichen, Montagebedingungen und Kühlanforderungen. Ein gutes Beispiel ist die TBLC-90-Serie von Traco Power, ein 90-W-Netzteil für die DIN-Schienenmontage, das ausschließlich durch Konvektion gekühlt wird. Es ist für einen Betrieb von –20 °C bis +70 °C ausgelegt. Oberhalb von +55 °C muss die Ausgangsleistung jedoch um 2,5 Prozent pro Kelvin reduziert werden.

Vorausgesetzt wird eine natürliche Luftströmung von 20 L_FM (linear feet per minute) um das Gerät herum. In der Installationsanleitung ist außerdem die Einbaulage vorgegeben: Der Luftstrom soll von unten nach oben verlaufen (Bild 2).

Die Berechnung der Wärmeableitung

Leistungskomponenten in Netzteilen, etwa MOSFETs, besitzen häufig massive Metalllaschen, die in das Gehäuse integriert sind (Bild 3). Da der Siliziumchip direkt auf diesem Teil des Packages montiert ist, wird die Wärme über dieses Metall nach außen abgeführt. Dennoch kann das Bauteilgehäuse allein nur begrenzt Wärme aufnehmen.

Um diese Grenze zu bestimmen, muss im Datenblatt die Kenngröße R_θJA betrachtet werden, also der thermische Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebung (junction-to-ambient). Sie gibt an, um wie viele Grad Celsius die Temperatur pro Watt Verlustleistung ansteigt.

Die zehn Regeln der passiven Kühlung

Mit zehn Faustregeln der passiven Schaltschrankklimatisierung können Industriebetriebe Energiekosten sparen – zusammen mit dem Einsatz des LSC Verdrahtungssystems von Lütze bis zu 23 %.

Ebenso wichtig ist die tatsächliche Umgebungstemperatur am Einsatzort. Selbst in Büros oder Wohnräumen kann ein Netzteil zeitweise direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein, wodurch die Umgebungstemperatur auf über 30 °C steigen kann. Das kann dazu führen, dass Halbleiterbauteile ihre zulässige Temperaturgrenze überschreiten.

Wenn die maximale Sperrschichttemperatur beispielsweise 150 °C (T_Jmax) beträgt und die Umgebungstemperatur 30 °C (T_A) liegt, stehen nur noch 120 °C Temperaturanstieg als Reserve zur Verfügung. Bei einem R_θJA-Wert von 23,9 °C/W können dann ohne zusätzlichen Kühlkörper nur etwa 5 W Verlustleistung (P_D) abgeführt werden, berechnet durch (T_Jmax – T_A) ÷ R_θJA.

Grundsätzlich ist die Metalllasche eines Leistungshalbleiters jedoch nicht als eigentliche Wärmesenke ausgelegt. Sie dient vielmehr dazu, die Wärme in eine größere thermische Masse zu übertragen – beispielsweise in einen Kühlkörper, das Gehäuse oder metallisierte Bereiche der Leiterplatte.

Kühlung über das Kupfer der Leiterplatte

In einigen Anwendungen kann die Kupferfläche der Leiterplatte selbst zur Wärmeabfuhr genutzt werden. Voraussetzung ist, dass genügend Platz zur Verfügung steht, um eine ausreichend große Oberfläche bereitzustellen. Für eine gute thermische Anbindung wird die Metalllasche des Bauteils direkt auf die Leiterplatte gelötet.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Leiterplatten, die mit Aluminium oder Kupfer verbunden sind. LED-Leuchten sind ein typisches Beispiel, bei denen PCBs auf Aluminiumträgern basieren.

Warum doppelseitige Kühlung E-Antriebe verändert

Ein neues Leistungsmodul mit doppelseitiger Kühlung und SiC-Halbleitern ermöglicht deutlich höhere Stromdichten, verbesserte Wärmeableitung und kompakte Bauformen – zentrale Voraussetzungen für effiziente und wirtschaftliche Elektroantriebe.

Wenn das Budget es zulässt und das Design es erfordert, kann auch ein massiver Kupferblock, ein sogenannter Copper Coin, direkt in die Leiterplatte integriert werden. Dadurch lassen sich verlustleistungsstarke Bauteile thermisch daran ankoppeln (Bild 4). Dieser Ansatz ist besonders hilfreich, wenn das System gekapselt ist und keine Lüftungsöffnungen möglich sind.

Hinzufügen eines Kühlkörpers

Kühlkörper und Leiterplatten bestehen typischerweise aus Aluminium oder Kupfer und kombinieren thermische Masse mit möglichst großer Oberfläche, um die Wärmeabgabe zu verbessern. Deshalb besitzen sie meist Rippen oder Stifte zur Oberflächenvergrößerung.

Beide Materialien weisen gute Wärmeleitfähigkeit auf (237 W/mK für Aluminium und 401 W/mK für Kupfer), allerdings ist Aluminium als Rohstoff etwa dreieinhalbmal günstiger als Kupfer.

Für eine gute thermische Verbindung wird zwischen Bauteil und Kühlkörper eine Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste aufgebracht. Die mechanische Fixierung erfolgt häufig über eine Schraube.

Um den gesamten thermischen Widerstand bei Einsatz eines Kühlkörpers zu berechnen, benötigt man den Sperrschicht-zu-Gehäuse-Widerstand (R_θJC) des Halbleiters sowie die Widerstände von Kühlkörper und Wärmeleitpaste. Angenommen, ein Halbleiter hat R_θJC = 1,7 °C/W, der Kühlkörper 2,67 °C/W und die Paste 0,33 °C/W, ergibt sich ein Gesamtwiderstand (R_TOTAL) von 1,7 °C/W + 2,67 °C/W + 0,33 °C/W = 4,7 °C/W. Die Betriebstemperatur lässt sich dann mit (P_D × R_TOTAL) + T_A berechnen.

Leistungsabfall bei DC/DC-Wandlern richtig einschätzen

Gerade die Kühlung auf kleinem Raum stellt sich bei höherem Stromverbrauch oft als Problem heraus. Deshalb ist es wichtig für Entwickler solche Probleme bereits früh in ihrem Design zu berücksichtigen. Derating-Kurven sowie Simulationen helfen dabei.

Wenn also wie zuvor 5 W bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C abgeführt werden, ist mit einem Temperaturanstieg auf (5 W × 4,7 °C/W) + 30 °C = 53,5 °C zu rechnen.

Wann wird aktive Kühlung notwendig?

In manchen Fällen reicht ein Kühlkörper allein nicht aus – entweder grundsätzlich oder unter extremen Betriebsbedingungen. Dann kommt aktive Kühlung zum Einsatz, meist in Form eines Lüfters.

Das ist zwar effektiv, stellt jedoch auch eine potenzielle Fehlerquelle dar. Wenn ein Wandler auf erzwungene Luftkühlung angewiesen ist, muss sichergestellt werden, dass der Lüfter tatsächlich läuft. Oft ist auch eine kontinuierliche Drehzahlüberwachung sinnvoll. Viele Halbleiterhersteller bieten dafür passende Lüftercontroller an, etwa den EMC2301 von Microchip Technology. Diese I2C/SMBus-Bausteine lassen sich leicht mit Mikrocontrollern integrieren, unterstützen oft Closed-Loop-Regelung und ermöglichen die permanente Überwachung des Lüfters.

Alternativ ist auch Flüssigkeitskühlung möglich. Diese wird häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt, wo IGBTs, MOSFETs und Leistungsmodule in sehr leistungsdichten Motorwechselrichtern und DC/DC-Wandlern verbaut sind.

Thermisches Design als Teil der Systementwicklung

Thermisches Design wird zunehmend wichtiger, da moderne Anwendungen immer kleinere, kompaktere und leistungsdichtere Netzteile erfordern. Welche Kühlmaßnahmen geeignet sind, hängt jedoch stark von Budget und konstruktiven Rahmenbedingungen ab. Die bevorzugte und kostengünstigste Lösung ist passive Kühlung durch natürliche Konvektion und einen Kühlkörper. Aktive Kühlung, etwa durch Lüfter, ist der nächste Schritt, erfordert jedoch Überwachung, da ein Lüfterausfall schnell zur Überhitzung und zum Ausfall des Netzteils führen kann.

Kühlung: Designtipps für TECs mit Peltier-Elementen

Peltier-Elemente versagen oft, wenn höhere Kühlleistung gefragt ist. Doch mit smartem Design, leistungsstarken Treibern und entsprechender Schaltungstechnik lässt sich das Maximum aus der thermoelektrischen Kühlung herausholen.

Um thermische Herausforderungen sicher zu beherrschen, sollten Datenblatt und Installationsanleitung immer sorgfältig gelesen werden. Bei Unklarheiten stehen Hersteller wie Traco Power in der Regel jederzeit mit technischem Support zur Verfügung. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Traco Power.