Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

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.
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