Aufbau und Kühlung von Leistungshalbleitern

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1 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Aufbau und Kühlung von Leistungshalbleitern Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Umrichter-Leistungsteil für den Industrieeinsatz Quelle : SEMIKRON Andruckplatte für Umrichterleistungsteile in stationären Ladeeinrichtungen gelten vermutlich ähnliche Grundsätze wie für Stromrichter in der Kleinindustrie Ansteuerungs- Elektronik Leistungs- Halbleiter Kühlkörper

3 eine große Herausforderung für mobile Leistungselektroniken sind die Kondensatoren Elektrolytkondensatoren leiden unter einer kurzen Lebensdauer (Austrocknen) Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

4 im Industrieeinsatz nach funktionalen Gesichtspunkten nach Fertigungs-Gesichtspunkten

5 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Bauformen

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9 stationäre mobile Lade-Einrichtungen Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

10 bei reinen Elektrofahrzeugen??? Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

11 Lösung eines Wettbewerbers für Hybrid-Fahrzeuge Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

12 Lösung eines Wettbewerbers für Hybrid-Fahrzeuge Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

13 Lösung eines Wettbewerbers für Hybrid-Fahrzeuge Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

14 noch zu lösende Aufgabenstellungen Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

15 Gewicht Leistungselektronische Komponenten sind eigentlich Leichtgewichte Ausnahmen : alle Komponenten, die Flüssigkeiten enthalten (Elektrolyt-)Kondensatoren Kühlkörper mit Flüssigkeitskühlung alle Komponenten, die aus Massivmaterial bestehen Kühlkörper aus Kupfer oder Aluminium Gehäuse Quelle : Hans-Peter Feustel Leistungselektronik für zukünftige Antriebskonzepte; Bayern-Innovativ Kooperationsforum Trends in der Motorentechnologie, , Passau

16 Kühlungstechniken Kühlung / Entwärmung von Bauelementen Thermisches Ersatzschaltbild natürliche Konvektion forcierte Luftkühlung Flüssigkeitskühlung

17 Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Wärmequelle thermische Energie Temperatur Temperaturdifferenz thermischer Widerstand Wärmekapazität gibt es nicht Dualismus : Stromquelle Strom elektrisches Potential Spannung elektrischer Widerstand elektrische Kapazität elektrische Induktivität deshalb gibt es auch kein Schwingen der Temperatur

18 Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften bei einfachen, überschaubaren Wärmeverteilungen lassen sich die Komponenten des Ersatzschaltbildes aus der Geometrie des Aufbaus und den physikalischen Materialparametern bestimmen wie bei elektrischen Widerständen auch für komplexere Wärmeverteilungen werden FEM-Simulationsprogramme angeboten

19 Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Alternative : messtechnisch wie bei elektrischer Netzwerkanalyse z. B. durch Messung der Sprungantwort(en)

20 Elektrisches Ersatzschaltbild zur Modellierung der thermischen Eigenschaften Vorteil des elektrischen Ersatzschaltbilds : transiente Wärmevorgänge lassen sich mit den Methoden der Netzwerktheorie und Signalanalyse einfach berechnen

21 natürliche Konvektion der Wärmeübergang vom Kühlkörper zur umgebenden Luft ist abhängig von : der Temperaturdifferenz der wirksamen Oberfläche der Strömungsgeschwindigkeit der Luft daher muss der Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material bestehen (Aluminium, Kupfer etc.) dicke Wurzel und möglichst viele Rippen eine möglichst große Oberfläche besitzen (oft als Strangpressprofil) eine dunkle Oberfläche besitzen vertikal montiert werden (Kamineffekt)

22 weitere Kühlkörperbauformen gestanzte und geformte Bleche aufsteckbare Kühlsterne und Kühlfahnen aus Aluminium aus Federbronze aus Stahlblech Bodenplatte aus Aluminium, mit mechanisch eingepressten Kühllamellen

23 forcierte Luftkühlung gegenüber natürlicher Kühlung (Konvektion) kann der thermische Kühlkörperwiderstand durch forcierte Belüftung auf 1/5... 1/15 verringert werden. wegen des überwiegenden Anteiles der Konvektion an der Wärmeabgabe hat eine Schwärzung des Kühlkörpers bei forcierter Luftkühlung wenig Sinn

24 Flüssigkeits-Kühlung kleineres Temperaturgefälle zwischen Kühlkörperoberfläche und Kühlmittel höherer Leistungsumsatz oder niedrigere Chiptemperatur (hohe Lebensdauer) mit seinem großen Wärmespeichervermögen (spezifische Wärme cp = 4,187 kj/kg *K) ist Wasser besser zur Wärmeabführung geeignet als andere Medien (Öl oder Glykolgemische)

25 Flüssigkeits-Kühlung Flüssigkeitskühlung im Kühlkreislauf eines Kfz : durch Beimischung von z.b. Glykol sinkt das Wärmespeichervermögen der Kühlflüssigkeit ab da auch Viskosität und spezifisches Gewicht der Kühlflüssigkeit zunehmen, wächst mit steigendem Glykolanteil der thermische Widerstand zwischen Kühlkörper und Kühlflüssigkeit beträchtlich 50 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa % 90 % Glykolzusatz Rthhw-Anstieg um etwa %

26 Flüssigkeits-Kühlung mit Heatpipes Heatpipes dienen dem Wärmetransport werden eingesetzt, um die Wärme vom Bauteil zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten (z. B. bei engen Platzverhältnissen)... verbessern die Wärmeverteilung und das dynamische Verhalten

27 Flüssigkeits-Kühlung mit Heatpipes Heatpipes dienen dem Wärmetransport werden eingesetzt, um die Wärme vom Bauteil zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten (z. B. bei engen Platzverhältnissen) Quelle : MERSEN... verbessern die Wärmeverteilung und das dynamische Verhalten

28 Danke!!!

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