Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
Dünne Wurzel
Viele Rippen
Niedrigerer R th(s-a)
Dicke Wurzel
Wenig Rippen
Höherer R th(s-a)
Aber:
Niedrige Überlastkapazität (z.B. für Pumpen)
Kleine Zeitkonstanten
Wenig Wärmespreizung
Hoher Druckabfall – weniger Luft
Empfindlich gegen Schmutz
Hohe Überlastkapazität (z.B. für Aufzüge)
Große Zeitkonstanten
Gute Wärmespreizung
Niedriger Druckabfall – mehr Luft
Wenig empfindlich gegen Schmutz
Tabelle 5.3.1 Eigenschaften und Auswahlkriterien für verschiedene Kühlkörperprofile
5.3.4.2 Druckabfall und Luftvolumen
Der R th(s-a)
wird weiterhin wesentlich durch das je Zeiteinheit durchströmende Luftvolumen V air
/t
bestimmt, das von mittlerer Kühlluftgeschwindigkeit v air
und Durchtrittsquerschnitt A abhängt:
V air
/t = v air
· A
Statt der hierbei vorausgesetzten laminaren Strömung bewirken Luftverwirbelungen an den Rippenoberflächen
turbulente Strömungsverhältnisse, wodurch – bei entsprechender Oberflächengestaltung
der Rippen – die Wärmeübertragung an die Luft verbessert wird. Natürlich wird nicht nur
der statische, sondern ebenso der transiente thermische Widerstand (thermische Impedanz) Z th
durch die forcierte Kühlung verringert. In Bild 5.3.6 sind die Verläufe von Z th(s-a)
bis zum Erreichen
des Endwertes R th(s-a)
des SEMIKRON-Kühlkörpers P16 bei natürlicher und bei forcierter Kühlung
dargestellt. Weiterhin ändert sich auch das Zeitverhalten um eine Zehnerpotenz. Während bei
natürlicher Luftkühlung der statische Endwert erst nach 2000…3000 s erreicht wird, ist dieser
Vorgang bei forcierter Luftkühlung bereits nach 200…300 s abgeschlossen.
Mit Vergrößerung von Rippenanzahl und Rippenbreite sinkt der Durchtrittsquerschnitt des Kühlkörpers.
Wie auch bei Vergrößerung der Kühlkörperlänge steigt damit der Kühlluft-Druckabfall Dp,
und der Volumenstrom sinkt. Dies ist ein gegenläufiger Effekt zur Vergrößerung der Kühloberfläche.
Für einen gegebenen Lüfter gibt es daher ein Optimum für Strömungsquerschnitt, Kühlkörperlänge
und Volumenstrom. Die Wärmeabführung ist von den Eigenschaften des Lüfters abhängig,
die durch die Lüfterkennlinie Dp = f(V air
/t) (Bild 5.3.7) beschrieben werden.
Aus dem Schnittpunkt der Lüfterkennlinie und den Druckabfallkurven der Kühlkörper Dp = f(V air
/t, L)
kann der Volumenstrom am Arbeitspunkt gemäß Bild 5.3.7 bestimmt werden. Bei der Aufnahme
der Lüfterkennlinie ist die erlaubte Betriebsspannungsschwankung (z.B. 230 V +/- 10%) mit zu
berücksichtigen. Es muss auch bei minimaler Spannung und damit geringerer Luftmenge noch
eine ausreichende Kühlung gewährleistet sein. Von dem ermittelten Volumenstrom hängt der thermische
Übergangswiderstand R th(s-a)
der Kühlkörperanordnung ab (Bild 5.3.8).
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