Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
Eine Vergrößerung der Grenzfläche Kühlkörper – Kühlmedium bewirkt einen verbesserten Wärmeübergang.
Der Anzahl von Kühlkanälen beim klassischen Kühler sind Grenzen gesetzt. Beim
Pin Fin-Kühler ragen kleine Säulen in die Kühlflüssigkeit, vergrößern die Kontaktfläche und sorgen
außerdem für ausreichend Turbulenzen (Bild 5.3.12).
Cooling liquid
Pin Fin
Cooling liquid
a) b)
Bild 5.3.12 Pin Fin-Flüssigkeitskühler zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche; a) Prinzipzeichnung;
b) Foto der Kühlseite
Durch besondere Formgebung des Flüssigkeitskühlkörpers und eine genügend hohe Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit wird eine turbulente Strömung erzeugt, die den Übergangswärmewiderstand
zwischen Kühlkörper und Flüssigkeit drastisch reduziert (siehe z.B. auch Spiraleinsätze
in Bild 5.3.16). Ohne Turbulenzen bildet sich ein Flüssigkeitsfilm an der Kühlwandoberfläche,
welche den Wärmeübergang behindert.
Noch mehr als beim Luftkühler ist eine gleichmäßige Verteilung der Wärmequellen auf der Kühlkörperfläche
entscheidend für einen geringen Wärmewiderstand. Wegen des hohen Wärmeübergangswertes
von einigen 1000 W/(m²*K) wird der Wärmestrom ohne große Querleitung zur Kühlflüssigkeit
abgeleitet. Es wird also im wesentlichen nur die Fläche zur Kühlung genutzt, auf der
Leistungshalbleitermodule montiert sind. Kupfer anstatt Aluminium als Kühlkörpermaterial reduziert
den Durchgangswiderstand, erhöht die Querleitung und vergrößert damit auch die effektive
Kühlfläche. Mit einem Kupferkühler kann der R th(j-a)
für ein Standard IGBT Modul um ca. 20%
verringert werden.
Der R th(s-a)
ist vor allem bei Wasser/Glykolgemischen wegen der Viskosität des Glykols von der
Kühlmitteltemperatur abhängig, zum geringen Teil auch wegen der sich ändernden Dichte des
Kühlmediums. So wurde für ein Gemisch von 50% Glykol / 50%Wasser im Bereich von 10°C und
70°C eine Verringerung des R th(r-a)
zwischen Temperatursensor und Wasser um ca. 25% ermittelt
(Bild 5.3.13).
R th(r-a) [K/W]
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0 20 40 T fluid [°C] 60 80
Bild 5.3.13 Abhängigkeit des Kühlkörperwiderstandes von der Einlasstemperatur der Kühlflüssigkeit
(NHC152 + SKiM459GD12E4 Temperatursensor)
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