Kühlkörper: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Kühlung Ihrer Designs

Kühlkörper sind wichtig! Ein wichtiger Aspekt beim Design von Schaltkreisen ist, dafür zu sorgen, dass Wärme effizient von den elektronischen Komponenten (z. B. Bipolartransistoren, MOSFETs und linearen Reglern) an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.

Kühlkörper vergrößern die Oberfläche von Wärme erzeugenden Komponenten und ermöglichen so eine effizientere Wärmeübertragung an die Umgebung. Ein verbesserter Wärmepfad von der Komponente weg verringert jeglichen Temperaturanstieg direkt an der Komponente.

Dieser Artikel soll eine erweiterte Einführung in die Problematik der Auswahl eines Kühlkörpers auf der Grundlage der Wärmedaten der Komponentenanwendung sowie den vom Anbieter des Kühlkörpers bereitgestellten Spezifikationen geben.

Wird ein Kühlkörper benötigt?

Im Sinne dieses Artikels nehmen wir an, dass es sich bei der fraglichen Anwendung um einen Transistor in einem TO-220-Gehäuse handelt, bei der Leitungs- und Schaltverluste einer Verlustleistung von 2,78 W entsprechen. Des Weiteren beträgt die Umgebungstemperatur bei Betrieb maximal 50 °C. Wird für diesen Transistor ein Kühlkörper benötigt?

Zuerst muss man sich ein Bild von allen thermischen Impedanzen machen, die vermutlich verhindern, dass die 2,78 W an die Umgebungsluft abgegeben werden. Wenn sie nicht effizient verteilt werden können, steigt die Sperrschichttemperatur innerhalb des TO-220-Gehäuses über die maximal gewünschte Betriebstemperatur, die für diese Anwendung auf 125 °C festgelegt wird.

Im Allgemeinen geben die Anbieter von Transistoren sämtliche thermischen Impedanzen zwischen Sperrschicht und Umgebung an, und zwar mit R_{θ J-A} und der Einheit °C/W. Die Einheit steht für den erwarteten Anstieg der Sperrschichttemperatur über die Umgebungstemperatur des TO-220-Gehäuses hinaus pro Leistungseinheit (Watt), die in der Komponente abgegeben wird.

Im Kontext bedeutet das Folgendes: Wenn der Anbieter eines Transistors angibt, dass die thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Umgebung 62 °C/W beträgt, lässt eine Verlustleistung von 2,78 W im Inneren des TO-220-Gehäuses die Sperrschichttemperatur auf 172 °C über die Umgebungstemperatur hinaus ansteigen (berechnet über 2,78 W x 62 °C/W). Wenn für diese Komponente im schlimmsten Fall eine Umgebungstemperatur von 50 °C angenommen wird, steigt die Sperrschichttemperatur auf 222 °C an (berechnet über 50 °C + 172 °C). Da hierbei die angegebene maximale Chiptemperatur von 125 °C weit übertroffen wird, ist auf jeden Fall ein Kühlkörper erforderlich.

Durch die Verbindung eines Kühlkörpers mit der Anwendung wird die thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Umgebung erheblich verringert. Als Nächstes muss festgelegt werden, wie niedrig die Impedanz des Wärmepfads sein muss, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Einrichten von Wärmepfaden mit thermischen Impedanzen

Um die thermische Impedanz des Wärmepfads zu ermitteln, geht man vom höchsten tolerierbaren Temperaturanstieg aus. Wenn die Umgebungstemperatur der Komponente bei Betrieb maximal 50 °C betragen darf und die Sperrschichttemperatur für Silizium wie bereits erwähnt nicht auf einen Wert von über 125 °C ansteigen darf, beträgt der höchste zulässige Temperaturanstieg 75 °C (berechnet über 125 °C - 50 °C).

Im nächsten Schritt muss die größte tolerierbare thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft berechnet werden. Wenn der größte zulässige Temperaturanstieg 75 °C beträgt und im TO-220-Gehäuse eine Leistungsabgabe von 2,78 W gemessen wird, beträgt die größte zulässige thermische Impedanz 27 °C/W (berechnet über 75 °C ÷ 2,78 W).

Im letzten Schritt werden nun die thermischen Impedanzen aller Wärmepfade (von der Sperrschicht zur Umgebungsluft) addiert und es muss sichergestellt werden, dass die Summe kleiner ist als die größte zulässige thermische Impedanz, die laut obiger Berechnung 27 °C/W beträgt.

Abbildung 2: Graphische Darstellung der thermischen Impedanzen, die berechnet und zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft in einer typischen TO-220-Anwendung addiert werden sollten.

Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass zunächst die thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Gehäuse (angegeben mit R_{θ J-C}) ermittelt werden muss. Sie gibt an, wie einfach Wärme von der Sperrschicht (wo sie erzeugt wird) zur Oberfläche der Komponente (in diesem Beispiel das TO-220-Gehäuse) abgeleitet werden kann. Diese Impedanz wird von den Anbietern in der Regel in den Datenblättern angegeben, zusammen mit dem Impedanzwert zwischen Sperrschicht und Umgebung. In diesem Fall beträgt die angenommene thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Gehäuse 0,5 °C/W.

Als Nächstes muss die mit R_{θ C-S} angegebene Impedanz zwischen Gehäuse und Kühlkörper ermittelt werden. Sie ist ein Maß dafür, wie einfach die Wärme von der Außenseite des Komponentengehäuses zur Oberfläche des Kühlkörpers abgeleitet werden kann. Da bei den zwei Oberflächen gelegentlich Unregelmäßigkeiten auftreten können, wird normalerweise zum Einsatz von Wärmeleitmaterial (TIM: Thermal Interface Material) oder „Wärmeleitpaste“ zwischen den Oberflächen des TO-220-Gehäuses und des Kühlkörpers geraten. Dadurch ist aus thermischer Sicht der vollständige Kontakt zwischen beiden Oberflächen sichergestellt. Durch das Auftragen einer Wärmeleitpaste wird die Wärmeübertragung von der Oberfläche des TO-220-Gehäuses zum Kühlkörper erheblich verbessert, obwohl ihre thermische Impedanz berücksichtigt werden muss.

Wärmeleitmaterialien

Allgemein zeichnen sich Wärmeleitmaterialien durch ihre Wärmeleitfähigkeit aus, die entweder in Watt pro Meter und Grad Celsius (W/(m·°C)) oder in Watt pro Meter und Grad Kelvin (W/(m·°K)) angegeben wird. In diesem Beispiel können Celsius und Kelvin synonym verwendet werden, da in beiden Fällen mit demselben Temperaturanstieg gearbeitet wird und ein Anstieg der Temperatur um 45 °C einem Temperaturanstieg von 45 °K entspricht.

Das Vorkommen der Einheit „Meter“ ist darauf zurückzuführen, dass sich die Impedanz der Wärmeleitmaterialien aus dem Verhältnis der Dicke (Dicke des Wärmeleitmaterials in Meter) über die gesamte Fläche (die von dem Wärmeleitmaterial bedeckte Fläche in Meter²) ergibt. Somit lautet die Maßeinheit 1/m (berechnet über m/m² = 1/m). In diesem Beispiel wird ein dünne Schicht aus Wärmeleitmaterial auf die Metalllasche der TO-220-Gehäuseoberfläche aufgetragen, wobei Folgendes gilt:

Unter Verwendung der oben angegebenen Eigenschaften kann die thermische Impedanz des Wärmeleitmaterials mit folgender Gleichung berechnet werden (aus Konsistenzgründen werden Meter verwendet):

Auswahl eines Kühlkörpers

Bei der letzten zu bestimmenden thermischen Impedanz handelt es sich um die Impedanz zwischen Sperrschicht und Kühlkörper, die mit R_{θ S-A} angegeben wird. Diese Berechnung zeigt, wie einfach Wärme von der Basis des Kühlkörpers an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.

In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Komponente bei natürlicher Konvektion ohne jeglichen Luftstrom betrieben wird. Die Grafik kann verwendet werden, um für diesen speziellen Kühlkörper die letzte thermische Impedanz vom Kühlkörper zur Umgebung zu berechnen. Indem man den Wert, um den die Oberflächentemperatur über die Umgebungstemperatur hinaus ansteigt, durch den Wert der abgeleiteten Wärme dividiert, erhält man die thermische Impedanz unter diesen speziellen Betriebsbedingungen. In diesem Fall beträgt die abgeleitete Wärmeleistung 2,78 W, was zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur um 53 °C über die Umgebungstemperatur hinaus führt. Dividiert man nun 53 °C durch 2,78 W, erhält man für die thermische Impedanz zwischen Kühlkörper und Umgebung einen Wert von 19,1 °C/W.

In vorherigen Berechnungen betrug die maximal zulässige Impedanz zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft 27 °C/W. Subtrahiert man nun die Impedanz zwischen Sperrschicht und Gehäuse (0,5 °C/W) und die Impedanz zwischen Gehäuse und Kühlkörper (0,45 °C/W) von diesem Wert ab, erhält man für den Kühlkörper einen maximal zulässigen Wert von 26,05 °C/W (berechnet über 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W).

Für dieses Beispiel und unter den angenommenen Bedingungen liegt eine thermische Impedanz von 19,1 °C/W für diesen Kühlkörper weit unter dem zuvor berechneten Wert von 26,05 °C/W. Hieraus ergeben sich für das Silizium eine niedrigere Sperrschichttemperatur im Inneren des TO-220-Gehäuses sowie ein größerer Temperaturspielraum innerhalb des Designs. Des Weiteren kann die maximale Temperatur der Sperrschicht näherungsweise bestimmt werden, indem man alle thermischen Impedanzen addiert, die Summe mit der an der Sperrschicht abgegebenen Leistung (in Watt) multipliziert und dieses Ergebnis zum Schluss mit der maximalen Umgebungstemperatur addiert. Hieraus ergibt sich folgende Gleichung:

Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig Kühlkörper für das Wärmemanagement einer Anwendung sind. Hätte man auf den Kühlkörper verzichtet, wäre die Sperrschichttemperatur für das Silizium innerhalb des TO-220-Gehäuses weit über den für das Design angegebenen Grenzwert von 125 °C hinaus angestiegen. Der hier verwendete Prozess kann modifiziert und wiederholt werden, um Entwickler bei der Auswahl der passenden Kühlkörper zu unterstützen, die für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen richtig dimensioniert sind.

Fazit:

Kühlkörper spielen beim Design von Schaltkreisen eine sehr wichtige Rolle, da sie für einen effizienten Pfad sorgen, über den Wärme von den elektronischen Komponenten abgeführt und an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Indem man die maximale Umgebungstemperatur und die Verlustleistung innerhalb der Komponente bestimmt, lässt sich die Auswahl des Kühlkörpers optimieren. Dadurch lassen sich Beschädigungen der Komponenten durch eine zu geringe und Geldverschwendung durch eine zu starke Kühlung vermeiden. Bedenken Sie außerdem die wichtige Rolle von Wärmeleitmaterialien bei der effizienten und konsistenten Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen.