Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
T j Cross section
and heatsink:
T s1
T a
T c
T s2
through a module
Chip’s
Ceramic (DCB)
Base plate
Thermal grease (TIM)
Heatsink
R th(j-c)
R th(c-s)1
R th(s-a)1
R th(c-s)2
R th(s-a)2
Bild 5.3.5 Messpunkte T s1
und T s2
zur Bestimmung des R th(c-s)
und R th(s-a)
SEMIKRON spezifiziert bei Modulen mit Bodenplatte den R th(c-s)
zu einem Messpunkt neben dem
Modul an der Längsseite (ca. 1/3 von der Modulecke). An diesem Punkt T s1
ist der Kühlkörper
deutlich kühler als unter dem Modul, mit der Konsequenz, dass die Temperaturdifferenz DT (c-s)
groß und DT (s-a)
klein ist. Daraus folgt ein größerer Widerstand R th(c-s)1
und ein kleinerer R th(s-a)1
im
Vergleich zur anderen Methode, bei der die Kühlkörpertemperatur T s2
unter dem Modul gemessen
wird (R th(c-s)2
; R th(s-a)2
). Der Unterschied wird um so größer, je besser der Kühlkörper die Wärme abführt
(Wasserkühlung ↔ Luftkühlung). Der Vorteil der Methode 1 „neben dem Modul“ ist die leichtere
Zugänglichkeit des Messpunktes im Aufbau. Es wird kein besonders präparierter Kühlkörper
benötigt. Der Nachteil ist die Abhängigkeit des R th(c-s)
von der Wärmespreizung im Kühlkörper.
Für Vergleichsrechnungen zwischen Modulen verschiedener Hersteller sollte immer der gleiche
Bezugspunkt verwendet werden. Näherungsweise kann angenommen werden R th(c-s)1
≈ 2 · R th(c-s)2
.
Bei Modulen ohne Bodenplatte spezifiziert SEMIKRON den R th(j-s)
zu einem Punkt unter dem Chip.
Bei der Kühlkörpervermessung ist daher für bodenplattenlose Module die Methode 2 „unter dem
Modul“ zu verwenden.
5.3.3 Natürliche Luftkühlung (freie Konvektion)
Natürliche Luftkühlung wird im unteren Leistungsbereich bis 50 W oder auch bei hohen Leistungen
angewandt, wenn der Einsatz von Lüftern nicht möglich ist oder geräteseitig außerordentlich
große Kühlflächen zur Verfügung stehen. Da der thermische Übergangswiderstand der Kühlkörper
bei freier Konvektion meist höher als der innere thermische Widerstand der Leistungsmodule ist,
fällt die Temperaturdifferenz zwischen Chip (125°C) und Kühlluft (45°C) zum großen Teil über dem
Kühlkörper ab. In Modulnähe ist die Kühlkörpertemperatur mit z.B. 90...100°C meist höher als bei
forcierter Luftkühlung. Bei der üblicherweise niedrigen Verlustleistung können Wurzel und Rippen
relativ dünn sein, da die Wärmeleitfähigkeit die thermischen Eigenschaften nur mäßig beeinflusst.
Die Rippenabstände müssen ausreichend groß sein, um ein günstiges Verhältnis zwischen Auftrieb
(Temperatur-/Dichtegefälle) und Reibung der Luft zu erzielen. Eine Schwärzung des Kühlkörpers
verbessert die Strahlungseigenschaften und damit den R th(s-a)
um bis zu 25% in Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz zwischen Montagefläche und Umgebungsluft (zu weiteren Details siehe
Kap. 4.2).
5.3.4 Forcierte Luftkühlung
Gegenüber natürlicher Kühlung kann der thermische Kühlkörperwiderstand durch forcierte Belüftung
auf 1/5...1/15 verringert werden. Eine Gegenüberstellung der Verläufe von Z th(s-a)
bis zum
Erreichen des Endwertes R th(s-a)
zeigt Bild 5.3.6 am Beispiel des SEMIKRON-Kühlkörpers P16 für
verschiedene Kühlkörperlängen.
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