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4 Applikationshinweise für Thyristoren und Netzdioden Bei der Berechnung ändert sich im Vergleich zu Nennbedingungen nur, dass anstatt mit thermischen Widerständen mit einer thermischen Impedanz gerechnet wird: T (t) P (t) Z j v th( js) (t) Z th(sa) (t) n P v _ n (t) T a Der Überlastpuls wird vom Programm in zeitdiskrete Punkte zerlegt und in einer zweiten, äußeren Iterationsschleife jeweils von t = 0 beginnend der Temperaturverlauf bis zum n-ten Punkt berechnet. Das Ergebnis sind dann zeitabhängige Temperaturverläufe für das Bauelement. Für komplizierte Lastverhältnisse kann auch ein Lastzyklus in Tabellenform vorgegeben werden („user defined load cycle“). Bild 4.1.14 Auswahl von Gehäuseform und Stromklasse der verfügbaren Bauelemente (Filter: Spannungsklasse) Nach Auswahl eines geeigneten Bauelementes und Spezifikation der Kühlbedingungen erhält der Benutzer die Einzelverluste pro Bauelement und die Summe aller auf dem Kühlkörper montierten Bauelemente, sowie die Chip- und Kühlkörpertemperaturen. Bild 4.1.15 Ergebnisse der Verlustleistungs- und Temperaturberechnung 227
4 Applikationshinweise für Thyristoren und Netzdioden 4.2 Kühlung von Gleichrichterbauelementen In diesem Abschnitt soll auf Besonderheiten im Zusammenhang mit der Kühlung von Gleichrichterbauelementen eingegangen werden. Dies betrifft vor allem nichtisolierte diskrete Bauelemente. Für Gleichrichtermodule mit forcierter Luftkühlung bzw. Wasserkühlung gelten sinngemäß die Aussagen aus Kap. 5.3 für IGBT-Module. 4.2.1 Kühlung bei Kleinleistungs-Bauelementen Bei Halbleiterbauelementen für geringe Leistungen, also insbesondere bei all denjenigen Typen, die zum freitragenden Einlöten in eine Leiterplatte geeignet sind, genügt im Allgemeinen die Wärmeabfuhr über die Gehäuseoberfläche und über die Anschlüsse. Auch die Leiterbahnen auf der Leiterplatte, mit denen die Anschlüsse verlötet sind, können erheblich zur Ableitung der Verlustwärme beitragen. Die für Kleinleistungs-Bauelemente angegebenen Wärmewiderstände Sperrschicht-Umgebung R th(j-a) gelten daher unter der Voraussetzung, dass das Bauelement unmittelbar auf einer Leiterplatte aufsitzt und dass die Leiterbahnen normale Breite von 2 bis 3 mm haben und auf ihrer ganzen Fläche in normaler Stärke verzinnt sind. Bauelemente mit Drahtanschlüssen können auch in 3 bis 25 mm Abstand von der Leiterplatte eingebaut werden. Der thermische Widerstand R th steigt mit der Länge der Drähte. Andererseits kann der thermische Widerstand R th durch Verwendung extrem breiter, vollflächig verzinnter Leiterbahnen um 25 bis 30% verringert werden. In diesem Fall muss das Bauelement unmittelbar auf die Leiterplatte aufgesetzt werden. Kleinleistungs-Halbleiterbauelemente mit quaderförmigen Kunststoffgehäusen werden gelegentlich auch mittels einer Schelle auf ein Kühlblech oder ein Chassisblech montiert. Die bei einer bestimmten Mindestgröße dieses Bleches zulässige Strombelastung ist dann im Datenblatt angegeben. Gelegentlich wird der Wärmewiderstand R th(j-r) zwischen der Sperrschicht und einem Bezugspunkt r an einem der Anschlüsse angegeben. Man kann dann im Betrieb durch Messen der Temperatur T r an diesem Punkt sowie der im Bauelement umgesetzten Verlustleistung P kontrollieren, ob die Ersatzsperrschichttemperatur T j den höchstzulässigen Wert nicht überschreitet. Es gilt ja T j –T r = P · R th(j-r) . Auch kann man solche Bauelemente mit einem oder beiden Anschlüssen an kleine, nach Kap. 4.2.2 berechnete Kupferkühlbleche anlöten (die naturgemäß isoliert eingebaut sein müssen) und dadurch eine besonders wirksame Kühlung erreichen, wie sie sonst nur bei metallgekapselten Bauelementen möglich ist. Schließlich werden manche Kleinleistungsbauelemente auch mit fest angebrachten Montagelaschen oder mit Metallböden versehen (z.B. TO220), die mit einem der Anschlüsse verbunden oder auch im Inneren isoliert sein können. Bei solchen Bauelementen wird der Wärmewiderstand Sperrschicht - „Gehäuse“ R th(j-c) im Datenblatt angegeben, wobei ,,Gehäuse“ eben diese Montagelasche oder dieser Metallboden ist. Solche Bauelemente werden wie metallgekapselte Bauelemente auf Kühlbleche, Kühlkörper oder Kühlprofile montiert (vgl. Kap. 4.2.2 bis 4.2.4). 4.2.2 Kühlbleche Kleinere Leistungshalbleiter (bis etwa 15 A Dauergrenzstrom) können zur Abfuhr der Verlustwärme auf Kühlbleche montiert werden. Ist ein Anschluss elektrisch mit dem Gehäuse des Bauelements verbunden, so muss das Kühlblech naturgemäß isoliert eingebaut sein. Ist dagegen das Gehäuse (das auch ein Kunststoffgehäuse mit Metallboden oder mit Montageblech sein kann) von den elektrischen Anschlüssen isoliert, so kann das Kühlblech z.B. ein Teil des Gerätegehäuses oder des Montagechassis sein. Bild 4.2.1 und Bild 4.2.2 geben die thermischen Widerstände von Kühlblechen für verschiedene Materialien und Materialstärken in Abhängigkeit von der Fläche an. Dabei ist vorausgesetzt, dass das Kühlblech aus blankem Metall besteht und angenähert quadratisch ist (Verhältnis der beiden Kantenlängen nicht größer als 2:3). Das Bauelement sitzt in der Mitte des Blechs als punktförmige Quelle, die Auflagefläche des Bauelements ist relativ klein im Verhältnis zur Kühlblechfläche. Bei größeren Abweichungen von der quadratischen Form ist Bild 4.2.2a zu berücksichtigen. Die Einbaulage des Bleches spielt eine geringe Rolle, solange sich nur eine Luftströmung am Blech entlang ausbilden kann. Tendenziell hat eine senkrechte Einbaulage einen geringeren R th , eine waagerechte Lage behindert den Luftzug und erhöht damit den Widerstand. 228
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Applikationshandbuch Leistungshalbl
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Inhalt 1 Betriebsweise von Leistung
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