Mechanische Konstruktion und Layout sind heute ebenso wichtig wie effiziente Topologien, und die Wärmeabfuhr von Modulen hat sich zu einer Kunstform entwickelt.
1822 wies der französische Arzt Joseph Fourier nach, dass die Wärmeübertragungsrate durch ein Material proportional zum negativen Temperaturgradienten und zur Fläche ist. (Quelle: PRBX)
Effizientes Wärmemanagement war eine der Herausforderungen, denen ich mich Anfang der 1990er-Jahre bei der Mikroelektronikfirma Micro-Gisco stellen musste. Ich war an der Entwicklung eines 100-W-DC/DC-Wandlers beteiligt, dessen Gehäusegröße etwa einem Viertel eines Ziegels entsprach. Die Anwendung sah vor, dass die Umgebungstemperatur mit der Sperrschichttemperatur interagierte. Damals war die Dickschichttechnologie die einzige verfügbare Technologie, bei der Chips auf ein Keramiksubstrat geklebt wurden. In solchen Anwendungen ließ sich eine effektive Kühlung nur mit einer Grundplatte und einem Wärmetauscher gewährleisten. Die Bedeutung von Wärmeleitungskühlung und effizientem Wärmemanagement liegt auf der Hand und ist für jeden Entwickler von Leistungselektronik von höchster Wichtigkeit.
Gleichzeitig trug die Entwicklung der Mobilkommunikation und die damit einhergehende steigende Nachfrage nach integrierten Stromversorgungslösungen zur Entstehung sogenannter „Bricks“ bei. Ein Wettlauf um immer kleinere und leistungsstärkere Bauformen begann. Die Leistungssteigerungen waren beeindruckend. Ein Beispiel dafür ist die erhöhte Leistungsdichte des sogenannten „Quarter Brick“. Im März 2000 brachte Ericssons (EPM) Sparte Power Modules mit der PKM 4000-Serie einen hochmodernen 100-W-Quarter-Brick-DC/DC-Wandler auf den Markt. Zwanzig Jahre später präsentierte FLEX Power Module (das EPM 2017 übernommen hatte) den 1300-W-Quarter-Brick BMR480 (Abbildung 1).
Die Steigerung der Ausgangsleistung um mehr als das Zehnfache in weniger als 20 Jahren ist das Ergebnis einer Kombination aus effizienteren Topologien, digitaler Steuerung, neuen Komponenten, dickwandigen Kupfer-Mehrlagen-Leiterplatten, integriertem Magnetismus und außergewöhnlichen Konstruktionen – aber nicht nur das! – Um die volle Leistungsfähigkeit dieser Produkte zu gewährleisten, ist eine effektive Kühlung unerlässlich.
Unter Berücksichtigung des Fourier-Gesetzes
haben Leistungselektronikingenieure in den letzten 20 Jahren die Produkteffizienz deutlich verbessert, und wir alle streben den Wert von 99,99 % an. Bis dahin müssen wir jedoch die durch Leistungsverluste entstehende Wärme beherrschen. Ein 1000-W-DC/DC-Wandler mit einem typischen Wirkungsgrad von 97 % muss 31 W abführen [Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]. Bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 55 °C in Telekommunikations- oder Industrieanlagen ist eine effektive Kühlung erforderlich, um sicherzustellen, dass die interne Temperatur des Moduls den vom Hersteller vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert, beispielsweise +105 °C am festgelegten Prüfpunkt, nicht überschreitet.
Fouriersches Gesetz der Wärmeleitung (Quelle: PRBX)
Wie wir uns alle aus der Schule erinnern, bewies der französische Arzt Joseph Fourier (Abbildung 02) im Jahr 1822, dass die Wärmestromdichte in einem Material proportional zum negativen Temperaturgradienten und zur Fläche ist. Die Fourier'schen Gesetze (Abbildung 03) der Wärmeleitung beschreiben das Prinzip des Wärmeaustauschs von der untersten Ebene aus, beispielsweise vom Halbleiterübergang zur Umgebung. Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit. So wie der elektrische Widerstand mit der elektrischen Leitfähigkeit zusammenhängt, kann der Wärmewiderstand mit der Wärmeleitung in Verbindung gebracht werden. Die Realisierung eines möglichst geringen Wärmewiderstands ist eine Herausforderung für alle Entwickler von Leistungselektronik – hier treffen Elektronik und Thermodynamik aufeinander.
Abbildung eines typischen Leistungsmoduls, das durch einen Kühlkörper gekühlt wird. So wie der elektrische Widerstand mit der Leitung von Elektrizität zusammenhängt, kann der thermische Widerstand mit der Wärmeleitung in Verbindung gebracht werden. (Quelle: PRBX)
Die Fertigungsprozesse für AC/DC- und DC/DC-Leistungsmodule sind so optimiert, dass die Wärme durch Wärmeleitung vom Silizium an eine Wärmeaustauschfläche, beispielsweise eine Aluminium-Grundplatte, abgeführt wird. In den meisten Anwendungen wird ein Kühlkörper auf der Grundplatte platziert und durch Luftstrom gekühlt, wodurch die Wärme vom Modul abgeführt wird (Abbildung 4). In Telekommunikations-/Datenkommunikationsanwendungen ist ein Luftstrom von 400 LFM (2 m/s) im Rack für die Systemkühlung üblich. Systeme mit sehr hoher Leistungsdichte benötigen jedoch bis zu doppelt so viel Luft (800 LFM (4 m/s)), was sehr laut ist und die Lebensdauer der Lüfter und Turbinen verkürzt.
Beispiel einer Wärmeleitungsplattform, optimiert für Wärmeleitungskühlung, bei der alle Kühlkörperkomponenten auf dem Motherboard befestigt sind. (Bildnachweis: PRBX)
Die Zwangsluftkühlung ist die gängigste Methode, um Temperaturen in sicheren Grenzen zu halten. Allerdings gibt es zahlreiche Anwendungsfälle, in denen diese Kühlmethoden nicht praktikabel sind, und es bestehen zunehmend Bedenken hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit. Typischerweise wird die Abluft aus Rechenzentren und anderen Hochleistungsgeräten nach außen abgeleitet, wodurch die Wärme nicht nutzbar gemacht wird. Darüber hinaus verbrauchen die meisten Rechenzentren, die Klimaanlagen benötigen, erhebliche Mengen an Energie, was ein großes Problem darstellt.
Wenn Zwangsluftkühlung nicht möglich ist:
Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen der Einsatz aktiver Belüftung nicht möglich oder sogar unzulässig ist. In rauen Umgebungen oder Anwendungen, bei denen die erforderliche Zuverlässigkeit die vollständige Ausschaltung aller potenziellen Ausfallrisiken erfordert, sind Lüfter und Absauganlagen nicht zulässig. Beispiele hierfür sind:
Industriemaschinen wie Laserschneidanlagen, die verbrannte Partikel, Rauch und Dampf erzeugen, verfügen über abgedichtete Steuerungs- und Überwachungsgehäuse, um Verunreinigungen und Beschädigungen durch den Schneidprozess zu verhindern. Das Netzteil zur Stromversorgung des Steuerungssystems ist in einem abgedichteten Gehäuse untergebracht. Dies erfordert entweder die Abführung der durch Wärmeleitung entstehenden Wärme vom Gehäuse oder die Montage an einer kalten Wand. Um eine möglichst effiziente Kühlung zu gewährleisten, ist das Netzteil mit einer großen Grundplatte ausgestattet, an der alle wärmeableitenden Komponenten befestigt sind (Abbildung 05).
Bei anspruchsvollen Anwendungen kann ein Flüssigkeitskühlelement auf der Hauptplatine des Netzteils hinzugefügt werden, um die Wärmeableitung zu erleichtern (Bildnachweis: PRBX/SUNON)
Manche Geräte benötigen Flüssigkeitskühlung, um wichtige Komponenten wie Laser oder Plasmabrenner während des Betriebs zu kühlen. In diesen Anwendungen profitiert das Netzteil von der Flüssigkeitszirkulation und der an einem Kühlelement befestigten Grundplatte (Abbildung 6).
Industrielle Überwachungs- und Sicherheitstechnik wird häufig an abgelegenen Standorten installiert, wo extreme Wetterbedingungen häufig vorkommen und die Wartung schwierig sein kann. Bei diesen Installationen ist Zuverlässigkeit von höchster Bedeutung, und Systementwickler müssen alle potenziellen Ausfallursachen ausschließen. Trotz deutlicher Qualitätsverbesserungen sind Lüfter und Abluftventilatoren anfällig für mechanische Ausfälle und daher für diese Anwendungen ungeeignet. Wie bereits im vorherigen Beispiel kann die Kühlung auch hier nur durch Wärmeleitung nach außen und einen passiven Wärmetauscher erreicht werden.
Wenn Stille Gold wert ist:
Es besteht eine wachsende Nachfrage nach Geräten in Überwachungsräumen oder Büros, die – zum Wohle der Mitarbeiter und ihrer Gesundheit – entweder gar keinen Lärm erzeugen oder diesen stark reduzieren.
Ein Beispiel hierfür sind Großraumbüros, in denen der Lärmpegel teilweise 60 bis 65 Dezibel erreichen kann. Dies mag im Vergleich zu beispielsweise einer stark befahrenen Straße mit 85 Dezibel gering erscheinen, kann aber die Ausführung kognitiv anspruchsvoller Arbeiten beeinträchtigen und somit die Gesundheit und Sicherheit gefährden. Tatsächlich fordern viele Unternehmen mittlerweile, dass der Lärmpegel in Großraumbüros unter 55 Dezibel liegt und die lokalen Vorschriften eingehalten werden.
In diesen Fällen muss der Geräuschpegel der installierten Geräte – von Computern bis hin zu großen Bildschirmen, wie sie etwa in der Flugsicherung oder Verkehrsleitzentrale eingesetzt werden – auf ein Minimum reduziert werden, und der Einsatz von lauter Zwangslüftung ist verboten. Unter diesen Bedingungen muss die Stromversorgung so ausgelegt sein, dass sie ohne Belüftung auskommt und eine Kühlungslösung verwendet.
Zusammenfassend lässt sich sagen:
Die Entwicklung von Netzteilen für Konduktionskühlung erfordert von den Entwicklern eine völlig andere Herangehensweise als die Entwicklung von Netzteilen, die von hohem Luftdurchsatz und umfassender Kühlung profitieren. Konduktionsgekühlte Netzteile galten lange als Nischenprodukt, doch neue Umweltauflagen könnten schon bald den Umstieg vieler Anwendungen mit Zwangsluftkühlung auf umweltfreundlichere Konduktionskühlungslösungen notwendig machen.
Referenzen:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
Analytische Wärmetheorie von M. Fourrier – 1822 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#
FLEX-Leistungsmodule: https://flexpowermodules.com/
Weitere Informationen
finden Sie unter www.prbx.com.
Kontaktieren Sie Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor,
unter +46 (0)158 703 00.
