HSD FB E I. Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik. Datum: WS/SS Gruppe: Teilnehmer Name Matr.-Nr.

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1 HSD FB E I Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Bauelemente-raktikum Kühlung von Halbleiterbauelementen Datum: WS/SS Gruppe: Teilnehmer Name Matr.-Nr Testat Versuchsaufbau Nr.: verwendete Geräte: Die Aufgabenteile 2a und 2b sind vor Antritt des raktikums soweit zu bearbeiten, wie dies ohne Messungen möglich ist. Als Umgebungstemperatur können 20 C angenommen werden. Zur eduktion der Wärmewiderstände zwischen den Transistoren und dem Kühlkörper wurde Wärmeleitpaste verwendet! Labor für elektronische Bauelemente und Schaltungen rof Dr. Lauffs Dipl.-Ing. Hein aum Tel.: 0211 /

2 Kühlung von Halbleiterbauelementen, Begriffsdefinitionen Die höchstzulässige Verlustleistung tot eines Halbleiterbauelementes hängt einmal davon ab, welche maximale Sperrschichttemperatur der Halbleiterkristall vertragen kann, zum anderen hängt sie davon ab, welche Wärmemenge pro Zeiteinheit abgeführt wird. Wenn die Temperatur der Sperrschicht nicht weiter ansteigen soll, dann muß die abgeführte Wärmemenge gleich der aus der Verlustleistung entstehenden Wärmemenge sein. Die Wärmeleitung von der Sperrschicht des Halbleiters als Quelle bis zur Umgebung verläuft über eine Kette von thermischen Widerständen. Abbildung 1 zeigt drei Beispiele die diese Modellvorstellung erläutern. T j T j T j T G thju T G T G thgu thgk thggl T U T K a) thk thgl T U Abb.1 b) thglk T K Wärmewiderstand für ein Bauelement: thk a) das seine Verlustleistung direkt an die Umgebung abgibt b) mit zusätzlicher Kühlung durch einen Kühlkörper c) mit zusätzlicher Kühlung und elektrischer Isolation des Bauelementes vom Kühlkörper T U c) Zeichenerklärung: = Verlustleistung in der Sperrschicht Tj = Sperrschichttemperatur TG = Gehäusetemperatur TK = Kühlkörpertemperatur TU = Umgebungstemperatur = Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse thgu = Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Umgebung thju = Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung - 1 -

3 thgk = Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper thk = Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung thggl = Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Glimmerscheibe thgl = Wärmewiderstand der Glimmerscheibe thglk = Wärmewiderstand zwischen Glimmerscheibe und Kühlkörper Die Wärmewiderstände sind abhängig von der Übergangsfläche und damit vom Gehäuse des Bauelements. Für einen Transistor im TO3 Gehäuse gilt beispielsweise: = 1,5 bis 2,5 K/W (siehe Datenblatt des Transistortyps ) thgu = 50 K/W thgk = thggl = thglk = 0,5 K/W ohne Verwendung von Wärmeleitpaste thgk = thggl = thglk = 0,25 K/W mit Wärmeleitpaste thgl = 0,5 K/W Der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers ist abhängig vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit (z.b. blank oder geschwärzt ) sowie den mechanischen Abmessungen. Über die Wärmewiderstände der gebräuchlichen Kühlkörperprofile geben die Datenblätter der Hersteller Auskunft.Beim Einbau eines Kühlkörpers ist eine ungehinderte Luftzirkulation sicherzustellen, da nur dann die angegebenen Wärmewiderstände Gültigkeit haben.die Kühlung kann auch durch besondere Maßnahmen, z.b. die Verwendung eines Lüfters, verbessert werden. Berechnungsbeispiele: 1. Ein Transistor vom Typ BDY42 soll eine Verlustleistung von maximal 30W bei einer Umgebungstemperatur von maximal 40 C an die Umgebung abführen können. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper maximal haben? Vom Transistor sind folgende Daten bekannt: Gehäuse TO3 ; Tjmax =175 C ; tot = 60W bei einer Gehäusetemperatur von 25 C Der Wärmewiderstand des Transistors, sofern er nicht im Datenblatt angegeben ist, kann aus diesen Daten bestimmt werden. Tjmax - TG = = tot 175 C - 25 C = 2,5 K/W 60W Für die Berechnung kommt nun die Schaltung nach Abbildung 1 b) zur Anwendung. Der Gesamtwärmewiderstand der Schaltung laßt sich aus der Verlustleistung und der zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz berechnen. Tjmax - TU = = thju tot 175 C - 40 C = 4,5 K/W 30W - 2 -

4 Der Gesamtwärmewiderstand setzt sich aus Teilwärmewiderständen zusammem, thju = + thgk + thk wobei für den Übergang zwischen Gehäuse und Kühlkörper der Wert ohne Wärmeleitpaste von 0,5 K/W angenommen werden kann. Damit ergibt sich für den Kühlkörper ein erforderlicher Wärmewiderstand von thk = thju - - thgk = 4,5 K/W - 2,5 K/W -0,5 K/W = 1,5 K/W 2. Ein Transistor vom Typ BU208 soll über eine Glimmerscheibe mit beidseitiger Wärmeleitpaste auf einen Kühlkörper geschraubt eine Verlustleistung von 15 W bei einer Umgebungstemperatur von maximal 40 C ableiten können. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper maximal haben? Vom Transistor sind folgende Daten bekannt: tot = 12,5 W bei TG = 95 C, Tjmax = 115 C, Gehäuse TO3, = 1,6 K/W Für die Berechnung findet hier eine Schaltung nach Abb.1 c) Anwendung. Der Gesamtwärmewiderstand errechnet sich zu: Tjmax - TU = = thju tot 115 C - 40 C = 5 K/W 15 W thju = + thggl + thgl + thglk + thk = 1,6 K/W + 1 K/W + thk = 5 K/W thk = thju K/W = 5 K/W - 1,6 K/W - 1 K/W = 2,4 K/W Aufgabenstellung: Untersuchung der Wärmeableitung der in einem Halbleiter entstehenden Verlustleistung über einen Kühlkörper auf die Umgebung. 1. Versuchsdurchführung Über den Transistor bzw. den Kühlkörper sind folgende Daten bekannt: Transistortyp 2N3055, = 1,5 K/W, tot =115W bei TG = 25 C, Tj = 200 C ICmax = 15 A, UCEo = 60 V, Gehäusetyp: TO3. Der Transistor ist auf einen Kühlkörper vom Typ KL102 sw 75mm lang montiert.der Wärmewiderstand des Kühlkörpers ist thk = 1,75 K/W. 1. Berechnen Sie die maximale Verlustleistung die in dem Transistor erzeugt werden darf. 2. Messen Sie für einen Versuchsaufbau nach Abb.2 die Gehäuse-,Kühlkörper- und Umgebungstemperatur, wenn Sie dem Transistor ungefähr 80 % der maximal zulässigen Verlustleistung zuführen. C A B 330Ω B A + + = = V V Anschlüsse des Transistors im Versuchsaufbau E Abb.2-3 -

5 2 a) Transistor ohne elektrische Isolation vom Kühlkörper. Ermitteln Sie mittels der Datenblattwerte die maximale Verlustleistung, führen Sie dann Ihre Messung für zirka 80 % dieser Leistung durch und errechnen Sie abschließend die verlangten Werte. Berechnen von tot mit Werten aus dem Datenblatt. Durchführen der Messung mit zirka 80% von tot. Wert ganzzahlig runden! Auswertung der Messung. Formel und Ergebnis tot= = = TJ UCE= 20 V IC= thjg= thjg UBE= IB= TG TG= thgk= thgk thgk= TK TK= thk= thk thk= TU Die Werte sind der Laboranleitung bzw. der Aufgabenstellung zu entnehmen. Dieser Wert ist zu errechnen. Diese Werte sollen nach Erreichen der Endtemperatur gemessen werden. Die Messung der Temperatur sollte an den Bohrungen oberhalb bzw. am Transistorgehäuse erfolgen. Diese Werte sind mittels der Verlustleistung und der gemessenen Temperaturen zu errechnen

6 2 b) Transistor mit elektrischer Isolation vom Kühlkörper. Ermitteln Sie mittels der Datenblattwerte die maximale Verlustleistung, führen Sie dann Ihre Messung für zirka 80 % dieser Leistung durch und errechnen Sie abschließend die verlangten Werte. Berechnen von tot mit Werten aus dem Datenblatt. Durchführen der Messung mit zirka 80% von tot. Wert ganzzahlig runden! Auswertung der Messung. Formel und Ergebnis tot= = = TJ UCE= 20 V IC= thjg= thjg UBE= IB= TG TG= thggl thgk= thgl thgk= thglk TK TK= thk= thk thk= TU Die Werte sind der Laboranleitung bzw. der Aufgabenstellung zu entnehmen. Dieser Wert ist zu errechnen. Diese Werte sollen nach Erreichen der Endtemperatur gemessen werden. Die Messung der Temperatur sollte an den Bohrungen oberhalb bzw. am Transistorgehäuse erfolgen. Diese Werte sind mittels der Verlustleistung und der gemessenen Temperaturen zu errechnen

7 Abbildung und Daten des eingesetzten Kühlkörpers KL-102 l KL ,5 1, Wärmewiderstand th KU zwischen Kühlkörper und Umgebung in Abhängigkeit von der rofillänge l 4 KL-102 th KU K/W 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, l/mm - 6 -