Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
a) b)
Bild 5.3.6 Verläufe von Z th(s-a)
(t) für Kühlkörper P16/Länge[mm] mit unterschiedlicher Länge, Anzahl von
Wärmequellen n; a) bei freier Konvektion mit unterschiedlichen Verlustleistungen; b) bei forcierter
Kühlung
Gegenüber freier Konvektion ist a bei forcierter Kühlung wesentlich größer. Die Oberflächentemperatur
forciert belüfteter Kühlkörper sollte bei 35°C Zulufttemperatur (Nennbedingung für Datenblattangaben)
im Nennbetrieb 80...90°C nicht übersteigen. Aufgrund des überwiegenden Anteiles
der Konvektion an der Wärmeabgabe hat eine Schwärzung des Kühlkörpers bei forcierter Luftkühlung
wenig Sinn.
5.3.4.1 Kühlprofile
Das Kühlkörpermaterial muss – bei vertretbaren Material- und Bearbeitungskosten – eine möglichst
gute Wärmeleitung und Wärmespreizung (= hohe Wärmeleitzahl l) aufweisen. Bevorzugtes
Material ist deshalb Aluminium (l = 247 W/K·m für reines Al), bei besonders hohen Anforderungen
auch Kupfer (l = 398 W/K·m). Bemerkenswert ist die Abhängigkeit der Wärmespreizung vom
Herstellungsverfahren und hierzu notwendiger Legierung; praktische Kühlkörper haben l-Werte
zwischen 150 W/K·m (Al-Druckgusslegierung) und 220 W/K·m (AlMgSi-Strangpressmaterial). Die
Wärmespreizung im Material hat großen Einfluss auf die thermische Effizienz des Kühlkörpers.
Somit ist die Optimierung der Wurzeldicke und ein ausgewogenes Verhältnis von Rippenanzahl,
Rippenhöhe und Rippendicke bedeutsam:
--
Die Wurzel (Root) eines Kühlkörpers ist der unverrippte Bereich der Montagefläche für die Leistungsbauelemente,
in dem die Wärmespreizung erfolgt.
--
Über die Rippen (Lamelle, Finne) eines Luftkühlkörpers erfolgt durch Konvektion die wesentliche
Wärmeabgabe an die Umgebung.
Zur Ermittlung der Optimierungskriterien für forciert belüftete Kühlkörperprofile können Wärmeleitung
und Konvektion über die Rippenhöhe integriert werden, woraus sich unter einigen vereinfachenden
Annahmen ergibt:
R
th(sa)
n
mit
1
1
U
A
1
e
h
U
A
2
1
1
e
2
(a: Wärmeübergangszahl, U: Rippenumfang, l: Wärmeleitzahl des Kühlkörpermaterials,
A: Rippenquerschnitt, h: Rippenhöhe)
Tabelle 5.3.1 gibt einen groben Überblick über Eigenschaften verschiedener Kühlkörperausführungen.
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