Thermisches Management in der Leistungselektronik - Cheatsheet

Thermische Widerstände und ihre Berechnung

Definition:

Thermischer Widerstand: Maß für die Fähigkeit eines Materials oder Bauelements, Wärmefluss zu behindern.

Details:

• Formel: R_{th} = \frac{\Delta T}{P}
• Einheit: K/W (Kelvin pro Watt)
• \(\Delta T\): Temperaturdifferenz (K)
• P: Verlustleistung (W)
• Serienschaltung: R_{th, ges} = \sum_{i} R_{th, i}
• Parallelschaltung: \frac{1}{R_{th, ges}} = \sum_{i} \frac{1}{R_{th, i}}
• Typische Anwendung: Kühlung von Leistungselektronik (z.B. MOSFETs, IGBTs)

Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten verschiedener Materialien

Definition:

Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Wichtig in der Leistungselektronik für das thermische Management.

Details:

• Einheit: \( \text{W} / ( \text{m} \cdot \text{K} ) \)
• Typische Materialien und ihre Wärmeleitfähigkeit:
  • Kupfer: \( \approx 390 \) W/m·K
  • Aluminium: \( \approx 237 \) W/m·K
  • Silizium: \( \approx 148 \) W/m·K
  • Keramik: \( 20 - 30 \) W/m·K
• Geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu Wärmestaus und kann die Lebensdauer von Bauteilen reduzieren.

Numerische Methoden zur Lösung von Wärmeleitungsproblemen

Definition:

Numerische Methoden zur Lösung von Wärmeleitungsproblemen werden verwendet, um Temperaturverteilungen in Festkörpern zu berechnen.

Details:

• Grundlegende Gleichung: Wärmeleitungsgleichung (Fourier'sche Gesetz)
• Diskretisierungsmethoden: Finite Differenzen, Finite Elemente, Finite Volumen
• Beispiele: Zeitabhängige (transiente) und stationäre Wärmeleitungsprobleme
• Software-Tools: ANSYS, COMSOL Multiphysics, MATLAB
• Typische Randbedingungen: Dirichlet-, Neumann-, Robin-Randbedingungen
• Gittererzeugung: Rechteckig, unstrukturiert

Unterschiede und Anwendungen passiver und aktiver Kühlmethoden

Definition:

Unterschied zwischen passiven und aktiven Kühlmethoden und deren Anwendungen.

Details:

• Passive Kühlmethoden: Nutzung von Kühlkörpern, Heat Pipes, thermischer Konvektion, keine externen Energiequellen nötig.
• Aktive Kühlmethoden: Einsatz von Lüftern, Pumpen, Peltier-Elementen, erfordern externe Energiequelle.
• Anwendungen:
• - Passiv: Niedrige bis mittlere Leistungsdichte, lüfterlose Geräte, geräuschempfindliche Anwendungen.
• - Aktiv: Hohe Leistungsdichte, Server, Hochleistungselektronik, Situationen mit geringer Luftzirkulation.
• Wärmeleitungsgleichung: \( Q = k \cdot A \cdot (T_1 - T_2) / d \)
• Konvektionsgleichung: \( Q = h \cdot A \cdot (T_s - T_f) \)

Thermisches Design und Optimierung von Kühlkörpern

Definition:

Thermisches Design und Optimierung von Kühlkörpern befasst sich mit der effizienten Wärmeableitung von Leistungselektronikkomponenten, um Überhitzung und daraus resultierende Ausfälle zu vermeiden.

Details:

• Ziel: Vermeidung von Überhitzung und Sicherstellung der Stabilität und Leistung der Komponenten.
• Kühlkörpermaterialien: Meistens Aluminium oder Kupfer aufgrund ihrer guten thermischen Leitfähigkeit.
• Wichtige Parameter: \(R_{th\_ja}\) (thermischer Widerstand), Oberfläche, Luftstrom, Finnenabstand.
• Grundgleichung: \[P = \frac{{\triangle T}}{{R_{th}}}\] wobei \(\triangle T\) die maximale Temperaturdifferenz und \(R_{th}\) der thermische Widerstand ist.
• Wärmeübertragung: Konduktion, Konvektion, ggf. Wärmeabstrahlung.
• Simulation und Modellierung: Einsatz von Softwaretools zur Optimierung.
• Erfolgsfaktoren: Richtige Auswahl und Dimensionierung des Kühlkörpers je nach spezifischen Anforderungen.

Finite-Elemente-Methode (FEM) in der thermischen Modellierung

Definition:

Numerische Methode zur Lösung von Differentialgleichungen in der thermischen Analyse.

Details:

• Diskretisierung des Modells in kleine, endliche Elemente
• Gleichungen in Matrixform:
• \[\mathbf{K} \cdot \mathbf{T} = \mathbf{Q}\]
• \(\mathbf{K}\) = Wärmeleitfähigkeitsmatrix
• \(\mathbf{T}\) = Temperaturvektor
• \(\mathbf{Q}\) = Wärmelastvektor
• Vorteil: Komplexe Geometrien und Randbedingungen möglich
• Wichtig in der Leistungselektronik zur Vermeidung von Überhitzung und Sicherstellung der Zuverlässigkeit

Softwares zur thermischen Analyse und Simulation

Definition:

Softwares zur thermischen Analyse und Simulation unterstützen die Berechnung und Vorhersage von Temperaturverteilungen sowie Wärmeströmen in elektronischen Systemen.

Details:

• Anwendung in der Leistungselektronik zur Optimierung des thermischen Managements
• FEM-basierte Tools: z.B. ANSYS, COMSOL
• Spezialisierte Tools: z.B. CAD-Software (SolidWorks, AutoCAD)
• Multiphysik-Simulation
• Temperaturverteilung, Wärmeströme, Kühlungseffizienz
• Wesentlicher Bestandteil im Designprozess
• Verwendet zur Validierung und Optimierung
• Beispiele für Berechnungen: Wärmeleitung (Fourier’sches Gesetz), Konvektion, Strahlung