Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
5.3.7 Thermische Reihenschaltung (Thermal Stacking)
Bei der thermischen Reihenschaltung von mehreren Kühlkörpern speziell bei größeren leistungselektronischen
Einheiten müssen die aus dem größeren Druckabfall resultierende Absenkung des
Kühlmitteldurchsatzes und die Vorerwärmung des Kühlmittels für die hinteren Einheiten in die
Berechnungen einbezogen werden (Bild 5.3.25b).
a) b)
Bild 5.3.25 a) Einzelkühlung; b) „Thermal Stacking“ von 3 SEMIKUBE bei forcierter Luftkühlung
Die folgenden beiden Methoden sind zur Berechnung der Vorerwärmung geeignet.
a) Bestimmung einer thermischen Impedanz Z th(a-a’)
zwischen Messpunkten am Kühlkörper 1, 2
und 3
b) Berechnung der Vorerwärmung des Kühlmittels, die Austrittstemperatur des ersten Modules
ist die Eintrittstemperatur des 2. usw.
5.3.7.1 Bestimmen einer zusätzlichen thermischen Impedanz
Die Vorerwärmung wird aus den Verlustleistungen P tot(n)
der Wärmequelle, dem stationären thermischen
Widerstand R th(a-a*)
bzw. der transienten thermischen Impedanz Z th(a-a*)
zwischen zwei
benachbarten Kühlkörpern ermittelt (Bild 5.3.25b). Dazu sind bei bekannter Verlustleistung die
Temperaturdifferenzen zwischen den Kühlkörpertemperaturen zu ermitteln. Mit der Zeit wird der 2.
und jeder weitere Kühlkörper wärmer werden als das vor im liegende Teil. Die Temperaturdifferenz
dividiert durch die Verlustleistung des Bauelementes ergibt Z th(a-a*)
. Für diesen Teil der transienten
thermischen Impedanzen ist meist 1 R/Tau-Element ausreichend. Für Bauteil 1 in Flussrichtung
des Kühlmediums gilt die bekannte Beziehung:
Z
th(s-a)1
n
1
R
1 e
t
th
Für Bauteil 2 wird ein zusätzliches Element für die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper 1
(„a“) und 2 („a*“) eingeführt. Diese Vorerwärmung ist abhängig von den Verlusten des Bauelementes
1, deshalb ist eine Wichtung über die Verlustleistungen notwendig. Wenn die Verlustleistungen
aller Quellen gleich sind kann dieser entfallen:
Z
th(s-a)2
4
1
R
1 e
t
th
P
P
tot1
tot2
R
th(a-a*)
1
e
Für Bauteil 3 und jedes weitere dann analog gilt:
Z
th(s-a)3
4
1
R
1 e
t
th
P
P
P
tot1
tot3
tot2
R
th(a-a**)
t
th(aa*)
1
e
t
th(aa**)
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