Was ist der beste Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist nicht nur ein Reservoir für Wärmeverluste
Die meisten modernen Leistungselektronikgeräte benötigen Umgebungen mit kontrollierten Temperaturen, damit sie ordnungsgemäß funktionieren. Wenn das Gerät überhitzt, kann die Leistung beeinträchtigt werden, oder im schlimmsten Fall fällt es aus und kann zu einem Sicherheitsrisiko werden. Der Kühlkörper stellt den Weg für die effiziente Wärmeübertragung vom Gerät in die Umgebung bereit. Das bedeutet, dass die Wärme mindestens so schnell abgeführt werden muss, wie sie von der Quelle erzeugt wird. Der Kühlkörper ist nicht das endgültige Ziel für die Verluste des Geräts.

So wählen Sie einen Kühlkörper aus

Der Wärmefluss oder die Wärmeableitung durch einen gegebenen Kühlkörper wird weitgehend durch den Wärmewiderstand, die Wärmeleitfähigkeit, die Kühlmethode und die effektive Oberfläche bestimmt. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, jedes System nicht nur hinsichtlich der Leistung, sondern auch in Bezug auf Kosten, Masse, Größe und Komplexität zu optimieren. Kupfer zum Beispiel hat eine etwa doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, ist aber viel dichter und teurer. Aluminium kann auch in komplexe Formen extrudiert werden, was mit Kupfer nur durch maschinelle Bearbeitung und mechanische Montage erreicht werden kann. Die besten Kühlkörperlösungen kombinieren die Anforderungen an das Wärmemanagement mit einem praktischen und kostengünstigen mechanischen Design.

Zu überwindende Hindernisse
Wärmeverluste von einem leistungselektronischen Bauelement müssen die verschiedenen Grenzflächen zwischen den Materialien überbrücken. Zum Beispiel muss die Wärme eines Leistungshalbleiters vom Chip zum Gehäuse des Bauteils und dann vom Gehäuse zur Oberfläche des Kühlkörpers gelangen. Schließlich leitet der Kühlkörper die Wärme an die Umgebung weiter. Jeder Transfer hat seinen eigenen Wärmewiderstand, der in Kombination den des gesamten Systems bestimmt. Die Minimierung des Wärmewiderstands des Systems (oder die Maximierung des Wärmeflusses) ist der Schlüssel, und die besten Ergebnisse werden durch die Optimierung der Bearbeitung und Endbearbeitung der Oberflächen und die richtige Auswahl der Grenzflächenmaterialien erzielt.

Optionen für die Kühlkörperkühlung
Natürliche Konvektion, erzwungene Luftkonvektion, Flüssigkeitskühlung – sie wird wirklich dadurch bestimmt, wie viel und wie schnell Wärme abgeführt werden soll. Für eine geringe Ableitung können Kühlkörper relativ einfache Aluminiumprofile sein, die auf natürlicher Luftkonvektion beruhen. Durch das Hinzufügen von Ventilatoren wird der Wärmefluss aus dem System verbessert. Darüber hinaus gibt es mehrere fortschrittlichere Technologien:

Schweißen und Löten unter kontrollierter Atmosphäre für die Herstellung komplexer Baugruppen mit viel höheren effektiven Oberflächen, die absolut auf Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung angewiesen sind, um effizient zu arbeiten.

Flüssigkeitsgekühlte Platten, die von einfachen Extrusionen oder gebohrten Platten bis hin zu komplexeren Baugruppen mit Kupferrohren eingelegt sein können, damit das Kühlmittel in bestimmte Bereiche transportiert werden kann.

Was macht den besten Kühlkörper aus?
Eine Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist der Ausgangspunkt. Die Auswahl des richtigen Kühlkörpertyps ist entscheidend.

Sobald Sie die Umgebungstemperatur, die Wärmeableitungseigenschaften der Geräte und die maximalen Betriebsgrenzen für Schlüsselkomponenten (z. B. Sperrschichttemperaturen) kennen, kann die Verlustleistung des Gesamtsystems berechnet werden. Die optimale Lösung wird durch die verfügbaren Räumlichkeiten, die Lage, die Erreichbarkeit und die Kostenziele definiert.

Für komplexere Anwendungen könnten sich Simulationen, die den Wärmefluss durch den Kühlkörper modellieren, als wertvolles Werkzeug erweisen, um das Beste aus alternativen oder konkurrierenden Technologien zu bestimmen.

Die Beschaffenheit der Oberflächen, sowohl derjenigen, die die Wärme ableiten, als auch derjenigen, die mit der Wärmequelle in Kontakt kommen, ist ein entscheidender Faktor für die Minimierung des Wärmewiderstands.

Einige Anwendungen sind so beschaffen, dass hocheffiziente komplexe Lamellenlösungen mit Zwangsluft der einzige praktische Weg sind, um die Anforderungen zu erfüllen. Dazu gehören bestimmte Traktions- und Elektrofahrzeugkonstruktionen mit hohem Leistungs- und Verlustleistungsbedarf.