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5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module Bild 5.2.23 Ergebnisausgabe zu Verlusten und Temperaturen in SemiSel Mit den Ergebnissen aus dem Überlastfall können zur Kostenoptimierung im Designprozess gegebenenfalls bestimmte Einschränkungen definiert werden (z.B. maximale Umgebungstemperatur, reduzierte Vorbelastung oder reduzierte Überlast), um die benötigten Anforderungen mit der gewünschten Baugruppe zu erzielen. Die Bedienerfreundlichkeit und die Rechengeschwindigkeit erlauben hier das „Spielen“ mit freien Parametern, um einen optimalen Kompromiss zwischen den Designzielen zu finden. Es besteht die Möglichkeit auf alle Eingabeseiten zurückzuspringen und mit geänderten Bedingungen die Rechnung zu wiederholen. Wurde ein detaillierter Lastzyklus definiert, erfolgt hierfür auch die Ausgabe als Zahlenwerte für Minimum und Maximum der Verluste und Temperaturen, sowie als Graphen der Zeitfunktionen aller Größen (Bild 5.2.24 ). Eine ausführliche Hilfe unterstützt die Programmbedienung. Bild 5.2.24 Ausgabe von Temperaturen und Verlusten für einen vom Nutzer definierten Lastzyklus 301
5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module 5.3 Kühlung von Leistungsmodulen An dieser Stelle soll vorwiegend auf forcierte Luftkühlung sowie Wasserkühlung eingegangen werden, da diese Kühlungsarten 95% der Anwendungen mit Leistungsmodulen abdecken. Andere Kühlverfahren, wie Siedekühlung, Sprühkühlung und auch die natürliche Luftkühlung werden erwähnt, besitzen aber für IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule noch geringe Bedeutung. Einzelheiten zur natürlichen Luftkühlung und Kühlblechen werden im Kap. 4.2 bei den (diskreten) Gleichrichtern erläutert. Die in Leistungsmodulen erzeugten Durchlass-, Schalt- und Sperrverluste müssen aufgrund ihrer Höhe über Kühlkörper abgeführt werden, die eine Flächenvergrößerung für Konvektion und Strahlung, eine Spreizung des Wärmeflusses sowie eine Dämpfung transienter thermischer Vorgänge bewirken. Aufgrund ihrer internen Isolation sind alle Leistungsmodule eines Gerätes auf einem gemeinsamen Kühlkörper montierbar, der auch weitere konstruktive Aufgaben (Gehäuse, Chassis usw.) übernehmen kann. Die Wärmeabführung eines Kühlkörpers erfolgt, indem die Wärme unmittelbar, durch Wärmeleitung, oder mittels eines Wärmeträgers an das Kühlmittel abgegeben wird. Als Kühlmittel kommen Luft, Wasser bzw. wasserhaltige Kühlgemische oder seltener Isolieröl zum Einsatz, deren Umlauf durch Schwerkraftwirkung erfolgt oder mittels Lüftern bzw. Pumpen erzwungen wird. 5.3.1 Thermisches Modell der Kühleinrichtung Aus der Wärmegleichung des Kühlkörpers: Q = a · A · DT = P tot folgt die Definition des thermischen Widerstandes: T(s a) 1 R th(sa) P A tot (Q - abgeführte Wärmemenge, a - Wärmeübergangszahl, A - Wärmeübertragungsfläche) Da T s zur Bestimmung von DT (s-a) an einem bestimmten Punkt gemessen wurde, gilt der Wert des R th(s-a) auch nur für diesen Messpunkt zur Umgebungstemperatur (siehe Kap. 5.3.2.4). Andere Messpunkte führen zu anderen Werten. Bei Aufbauten mit mehreren Modulen wird zur Vereinfachung meist von einer einheitlichen Kühlkörpertemperatur für alle Bauelemente ausgegangen. Die Verlustleistung aller Wärmequellen auf dem Kühlkörper wird über den gemeinsamen R th(s-a) abgeführt. Aus obiger Gleichung für den R th ergibt sich, dass eine Flächenvergrößerung durch möglichst starke „Verrippung“ sinnvoll ist, sofern die Strömungsverhältnisse so gestaltet werden können, dass die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Wärmeübergangszahl a nicht übermäßig absinkt. Aus dieser Feststellung resultieren u.a. die unterschiedlichen Optimierungskriterien für Kühlkörper bei natürlicher und forcierter Luftkühlung. Mit einer besseren Durchwärmung der Kühlkörper durch höhere Verlustleistung, gleichmäßige Wärmeverteilung oder bessere Wärmespreizung vergrößert sich die wirksame Wärmeaustauschfläche A eff , die Effektivität des Kühlkörpers steigt bzw. der R th(s-a) sinkt. Durch eine möglichst starke Verwirbelung des Kühlmediums wird der Wert von a stark erhöht, was ebenso dazu beiträgt den R th(s-a) zu verringern. Bei der Erklärung der thermischen Eigenschaften der Leistungsmodule im Kap. 5.2 wurde der Kühlkörper im thermischen Ersatzschaltbild zunächst durch nur ein „RC-Glied“ (R th/(s-a) , Z th(s-a) ) beschrieben. Der Verlauf der transienten thermischen Kühlkörperimpedanz Z th(s-a) über der Zeit t bei einem Verlustleistungssprung weist jedoch mehrere Zeitkonstanten auf, wie Bild 5.3.6 an einem Beispiel zeigt. Durch Addition mit den Verläufen der thermischen Impedanzen des Leistungsmoduls und des Wärmeüberganges zum Kühlkörper kann hieraus die thermischen Gesamtimpedanz Z th(j-a) ermittelt werden. Mittels nachstehender Gleichungen lassen sich die Z th -Kurven analytisch als eine Summe von n Exponentialfunktionen darstellen: 302
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Applikationshandbuch Leistungshalbl
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