Thermische Impedanz von Leistungswandlern – Die wichtigsten Punkte im Überblick
27.05.2020
Alle Leistungswandler geben Energie im Inneren als Wärme ab und erwärmen sich dabei stärker als ihre Umgebung. Solange diese zusätzliche Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, ohne dass im Inneren des Bauteils kritische Temperaturgrenzen überschritten werden, kann der Wandler bei voller Leistung arbeiten.
Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur erreicht der Wandler seinen maximalen internen Temperaturgrenzwert und erhöht die Umgebungstemperatur. Um das zu vermeiden, muss die Verlustleistung durch Reduktion der Last verringert werden. Dieser Vorgang wird als Derating bezeichnet1 .
Die Wärmeabgabe eines Spannungswandlers vom Gehäuse an die Umgebung lässt sich anhand folgender Zusammenhänge nachvollziehen:
Ist die Verlustleistung bekannt (Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung), entspricht die thermische Impedanz der Temperatur, um die das Gehäuse die der Umgebung übersteigt.
In der Praxis ist diese Gleichung allerdings schwierig zu lösen. Der Temperaturanstieg des Wandlers über die Umgebungstemperatur hinaus muss äußerst präzise bestimmt werden, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten. Eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeit des Ergebnisses zu erhöhen, ist, die Temperaturdifferenz (ΔT) in mehreren Messungen bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur) zu bestimmen.
Um eine wirksame Konvektionskühlung zu erreichen, muss die thermische Impedanz jedoch auch in einer zugfreien Umgebung bestimmt werden, da die Luftbewegung durch den Ventilator der Wärmekammer das Ergebnis beeinflussen kann. Platziert man das zu testende Gerät (D.U.T.) in einem Pappkarton in einer temperierbaren Kammer und nimmt eine Vierleitermessung (Kelvinkontaktierung) vor, sind relativ genaue Ergebnisse erzielbar:
Das Maschengitter ermöglicht Luftzirkulation, blockiert aber gleichzeitig den Luftzug.
Abb. 1: Testaufbau zur Bestimmung der thermischen Impedanz (DC/DC) mittels Wärmekammer
Der Grund, warum Temperaturmessungen in einer zugfreien Umgebung stattfinden müssen, ist, dass die thermische Impedanz unter verschiedenen Bedingungen erheblich variiert. Sie hängt sehr stark davon ab, wie effizient die Wärme an das umgebende Fluid (in den meisten Fällen ist dieses Fluid die Umgebungsluft) abgegeben wird. Ist der Wärmeübergangskoeffizient ungünstig, verursacht die Verlustleistung einen größeren Temperaturanstieg im Gehäuse und damit eine höhere thermische Impedanz. Ist die Wärmeübertragung effizienter, fällt der Temperaturanstieg bei gleicher Verlustleistung niedriger aus führt damit zu einer geringeren thermischen Impedanz. Gleichung 1 ist also korrekt, aber nur unter bestimmten Voraussetzungen (nur Konvektionskühlung). Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, müssen die Testbedingungen außerdem konstant bleiben. Die Dokumentation des Testaufbaus, der verwendeten Ausrüstung und der vorgenommenen Kalibrierungen ist ebenso wichtig wie das Testergebnis selbst.
Für die meisten gängigen Anwendungszwecke ist die thermische Impedanz bei Konvektionskühlung der aussagekräftigste Wert, weil dies die Art und Weise ist, auf die leiterplattenmontierte Wandler am häufigsten eingesetzt werden. Der Wandler wird auf eine Leiterplatte gelötet und die Wärme aus dem Inneren des Wandlers mittels Konvektionskühlung an die Umgebung abgeleitet. Ein Teil der Wärme wird auch über die elektrischen Verbindungen zu den PCB-Leiterbahnen abgeführt. Dadurch sind manche Derating-Übersichten in den Datenblättern nur dann zutreffend, wenn auch Informationen zum Leiterplattenlayout angegeben sind. Eine kleine Wärmemenge wird zusätzlich durch Strahlung an die Umgebung abgegeben, aber unserer Erfahrung nach ist dieser Effekt gering.
Der wirksamste Weg, die Wärmeabgabe an die Umgebung effizienter zu gestalten, ist, das umgebende Fluid in Bewegung zu setzen (deshalb kann der Ventilator in der Wärmekammer die Messwerte beeinflussen). Dieser Effekt ist allgemein bekannt, seit Isaac Newton 1701 ein Papier mit folgender Gleichung veröffentlichte:
q entspricht dabei der Wärmeübergangsrate, h dem Wärmeübergangskoeffizient, A der Oberfläche des D.U.T. und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen dem D.U.T. und der Umgebung.
Das Newton‘sche Abkühlungsgesetz besagt, dass bei einer gegebenen Temperaturdifferenz die Wärmeübergangsrate durch Vergrößerung der Oberfläche (z. B. durch Ergänzung eines gerippten Kühlkörpers am Prüfkörper) oder durch Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten (z. B. durch einen gerichteten Luftstrom auf den erwärmten Teil des Prüfkörpers) erhöht werden kann.
Der Wärmeübergangskoeffizient ändert sich typischerweise an einer Randbedingung abrupt, wenn der Luftstrom über den Wandler von laminarer zu turbulenter Strömung übergeht. Bei den meisten Leistungswandlern mit flacher Plattenoberfläche liegt dieser Übergangspunkt bei 0,1-0,2m/s. Daher kann ein Luftstrom von 0,1m/s (20LFM) als Konvektionskühlung bezeichnet werden, und alles, was darüber hinausgeht, als forcierte Luftkühlung.
Abb. 2: Thermische Impedanz vs. Geschwindigkeit des Luftstroms
Wir von RECOM besitzen einen eigenen Windkanal, um die thermische Impedanz unserer Produkte mit forcierter Kühlung genau bestimmen zu können. Der Luftstrom innerhalb des Windkanals ist aufgrund eines wabenförmigen Strömungskonditionierers laminar, und das Ausgangsdiffusor-Element beseitigt Gegendruckschwankungen, wodurch ein gleichmäßiges Druck- und Luftstromprofil in der Testkammer gewährleistet wird.
Ein Präzisions-Luftströmungssensor, der mit einem Rückführkreis verbunden ist, der den Lüfter antreibt, garantiert einen stabilen und genau regelbaren Luftstrom. Die Temperatur des Geräts wird mit Hilfe einer Wärmekamera gemessen, um Turbulenzeffekte zu vermeiden, die durch das Einführen eines Fremdkörpers in den Luftstrom nahe dem Testobjekt verursacht würden.
Abb. 3: Windkanal bei RECOM
Das kleine Rundfenster besteht aus speziellem, infrarotdurchlässigem Glas, sodass die Überwachung der Temperatur des Prüfobjekts von außen mit Hilfe einer IR-Kamera erfolgen kann. Der Präzisions-Luftströmungssensor oben links ist mit der Steuerungseinheit des Lüfters (rechts im Bild) verbunden, sodass der Luftstrom genau reguliert werden kann.
Mit dieser spezialisierten Ausrüstung sind wir in der Lage, die Konvektions- und forcierten Kühlungsparameter unserer Produkte genau zu bestimmen, beispielsweise, um sie in unsere technischen Datenblätter aufzunehmen. Ein Beispiel: RPA200H:
Wir helfen Ihnen gerne weiter
RECOM entwickelt kompakte, kostengünstige und vor allem hocheffiziente AC/DC, DC/DC und Schaltregler-Spannungsversorgungen. Der Wirkungsgrad eines Wandlers, insbesondere eines Moduls zur Leiterplattenmontage, bei der die Leistungsdichte sehr hoch sein kann, ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl des optimalen Bauteils für eine bestimmte Anwendung. Zum Beispiel wird durch einen Wandler mit einem Wirkungsgrad von 96% die innere Wärmeabfuhr im Vergleich zu einem Wandler mit 92% halbiert.
Wir führen mit unserem hauseigenen automatisierten Testsystem, unseren Klimakammern und unserem Windkanal umfassende Tests durch, um genaue Temperaturdaten und Informationen für unsere Datenblätter bereitstellen zu können, darunter Angaben zur thermischen Impedanz und zur maximalen Gehäusetemperatur, Tabellen zum Wirkungsgrad-Last-Verhältnis und Derating-Diagramme sowohl für Normteile als auch für solche mit Kühlkörperoption.
Wir tun dies, damit unsere Kunden das optimale Bauteil für ihre Anwendung finden, einbauen und sicher sein können, dass der Wandler sowohl bei extrem kalten (bis zu -40°C) als auch bei sehr heißen (bis zu 100°C) Umgebungstemperaturen innerhalb seiner Leistungsgrenzen funktioniert. Da die Auswahl des Wandlers und des eingesetzten Kühlsystems für den Erfolg eines Projekts entscheidend sein kann, lohnt es sich, Kontakt mit dem technischen Kundendienst von RECOM aufzunehmen und sich von unseren erfahrenen Vertriebstechnikern beraten zu lassen.
RECOM: We Power your Products
1, Refer to the Recom DC/DC Book of Knowledge), Chapter 3 for more information.
Die Wärmeabgabe eines Spannungswandlers vom Gehäuse an die Umgebung lässt sich anhand folgender Zusammenhänge nachvollziehen:
| Gleichung 1: |  |
|---|
Ist die Verlustleistung bekannt (Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung), entspricht die thermische Impedanz der Temperatur, um die das Gehäuse die der Umgebung übersteigt.
In der Praxis ist diese Gleichung allerdings schwierig zu lösen. Der Temperaturanstieg des Wandlers über die Umgebungstemperatur hinaus muss äußerst präzise bestimmt werden, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten. Eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeit des Ergebnisses zu erhöhen, ist, die Temperaturdifferenz (ΔT) in mehreren Messungen bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur) zu bestimmen.
Um eine wirksame Konvektionskühlung zu erreichen, muss die thermische Impedanz jedoch auch in einer zugfreien Umgebung bestimmt werden, da die Luftbewegung durch den Ventilator der Wärmekammer das Ergebnis beeinflussen kann. Platziert man das zu testende Gerät (D.U.T.) in einem Pappkarton in einer temperierbaren Kammer und nimmt eine Vierleitermessung (Kelvinkontaktierung) vor, sind relativ genaue Ergebnisse erzielbar:
Das Maschengitter ermöglicht Luftzirkulation, blockiert aber gleichzeitig den Luftzug.
Abb. 1: Testaufbau zur Bestimmung der thermischen Impedanz (DC/DC) mittels Wärmekammer
Der Grund, warum Temperaturmessungen in einer zugfreien Umgebung stattfinden müssen, ist, dass die thermische Impedanz unter verschiedenen Bedingungen erheblich variiert. Sie hängt sehr stark davon ab, wie effizient die Wärme an das umgebende Fluid (in den meisten Fällen ist dieses Fluid die Umgebungsluft) abgegeben wird. Ist der Wärmeübergangskoeffizient ungünstig, verursacht die Verlustleistung einen größeren Temperaturanstieg im Gehäuse und damit eine höhere thermische Impedanz. Ist die Wärmeübertragung effizienter, fällt der Temperaturanstieg bei gleicher Verlustleistung niedriger aus führt damit zu einer geringeren thermischen Impedanz. Gleichung 1 ist also korrekt, aber nur unter bestimmten Voraussetzungen (nur Konvektionskühlung). Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, müssen die Testbedingungen außerdem konstant bleiben. Die Dokumentation des Testaufbaus, der verwendeten Ausrüstung und der vorgenommenen Kalibrierungen ist ebenso wichtig wie das Testergebnis selbst.
Für die meisten gängigen Anwendungszwecke ist die thermische Impedanz bei Konvektionskühlung der aussagekräftigste Wert, weil dies die Art und Weise ist, auf die leiterplattenmontierte Wandler am häufigsten eingesetzt werden. Der Wandler wird auf eine Leiterplatte gelötet und die Wärme aus dem Inneren des Wandlers mittels Konvektionskühlung an die Umgebung abgeleitet. Ein Teil der Wärme wird auch über die elektrischen Verbindungen zu den PCB-Leiterbahnen abgeführt. Dadurch sind manche Derating-Übersichten in den Datenblättern nur dann zutreffend, wenn auch Informationen zum Leiterplattenlayout angegeben sind. Eine kleine Wärmemenge wird zusätzlich durch Strahlung an die Umgebung abgegeben, aber unserer Erfahrung nach ist dieser Effekt gering.
Der wirksamste Weg, die Wärmeabgabe an die Umgebung effizienter zu gestalten, ist, das umgebende Fluid in Bewegung zu setzen (deshalb kann der Ventilator in der Wärmekammer die Messwerte beeinflussen). Dieser Effekt ist allgemein bekannt, seit Isaac Newton 1701 ein Papier mit folgender Gleichung veröffentlichte:
| Eq. 2: |  |
|---|
q entspricht dabei der Wärmeübergangsrate, h dem Wärmeübergangskoeffizient, A der Oberfläche des D.U.T. und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen dem D.U.T. und der Umgebung.
Das Newton‘sche Abkühlungsgesetz besagt, dass bei einer gegebenen Temperaturdifferenz die Wärmeübergangsrate durch Vergrößerung der Oberfläche (z. B. durch Ergänzung eines gerippten Kühlkörpers am Prüfkörper) oder durch Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten (z. B. durch einen gerichteten Luftstrom auf den erwärmten Teil des Prüfkörpers) erhöht werden kann.
Der Wärmeübergangskoeffizient ändert sich typischerweise an einer Randbedingung abrupt, wenn der Luftstrom über den Wandler von laminarer zu turbulenter Strömung übergeht. Bei den meisten Leistungswandlern mit flacher Plattenoberfläche liegt dieser Übergangspunkt bei 0,1-0,2m/s. Daher kann ein Luftstrom von 0,1m/s (20LFM) als Konvektionskühlung bezeichnet werden, und alles, was darüber hinausgeht, als forcierte Luftkühlung.
Abb. 2: Thermische Impedanz vs. Geschwindigkeit des Luftstroms
Wir von RECOM besitzen einen eigenen Windkanal, um die thermische Impedanz unserer Produkte mit forcierter Kühlung genau bestimmen zu können. Der Luftstrom innerhalb des Windkanals ist aufgrund eines wabenförmigen Strömungskonditionierers laminar, und das Ausgangsdiffusor-Element beseitigt Gegendruckschwankungen, wodurch ein gleichmäßiges Druck- und Luftstromprofil in der Testkammer gewährleistet wird.
Ein Präzisions-Luftströmungssensor, der mit einem Rückführkreis verbunden ist, der den Lüfter antreibt, garantiert einen stabilen und genau regelbaren Luftstrom. Die Temperatur des Geräts wird mit Hilfe einer Wärmekamera gemessen, um Turbulenzeffekte zu vermeiden, die durch das Einführen eines Fremdkörpers in den Luftstrom nahe dem Testobjekt verursacht würden.
Abb. 3: Windkanal bei RECOM
Das kleine Rundfenster besteht aus speziellem, infrarotdurchlässigem Glas, sodass die Überwachung der Temperatur des Prüfobjekts von außen mit Hilfe einer IR-Kamera erfolgen kann. Der Präzisions-Luftströmungssensor oben links ist mit der Steuerungseinheit des Lüfters (rechts im Bild) verbunden, sodass der Luftstrom genau reguliert werden kann.
Mit dieser spezialisierten Ausrüstung sind wir in der Lage, die Konvektions- und forcierten Kühlungsparameter unserer Produkte genau zu bestimmen, beispielsweise, um sie in unsere technischen Datenblätter aufzunehmen. Ein Beispiel: RPA200H:
Wir helfen Ihnen gerne weiter
RECOM entwickelt kompakte, kostengünstige und vor allem hocheffiziente AC/DC, DC/DC und Schaltregler-Spannungsversorgungen. Der Wirkungsgrad eines Wandlers, insbesondere eines Moduls zur Leiterplattenmontage, bei der die Leistungsdichte sehr hoch sein kann, ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl des optimalen Bauteils für eine bestimmte Anwendung. Zum Beispiel wird durch einen Wandler mit einem Wirkungsgrad von 96% die innere Wärmeabfuhr im Vergleich zu einem Wandler mit 92% halbiert.
Wir führen mit unserem hauseigenen automatisierten Testsystem, unseren Klimakammern und unserem Windkanal umfassende Tests durch, um genaue Temperaturdaten und Informationen für unsere Datenblätter bereitstellen zu können, darunter Angaben zur thermischen Impedanz und zur maximalen Gehäusetemperatur, Tabellen zum Wirkungsgrad-Last-Verhältnis und Derating-Diagramme sowohl für Normteile als auch für solche mit Kühlkörperoption.
Wir tun dies, damit unsere Kunden das optimale Bauteil für ihre Anwendung finden, einbauen und sicher sein können, dass der Wandler sowohl bei extrem kalten (bis zu -40°C) als auch bei sehr heißen (bis zu 100°C) Umgebungstemperaturen innerhalb seiner Leistungsgrenzen funktioniert. Da die Auswahl des Wandlers und des eingesetzten Kühlsystems für den Erfolg eines Projekts entscheidend sein kann, lohnt es sich, Kontakt mit dem technischen Kundendienst von RECOM aufzunehmen und sich von unseren erfahrenen Vertriebstechnikern beraten zu lassen.
RECOM: We Power your Products
1, Refer to the Recom DC/DC Book of Knowledge), Chapter 3 for more information.
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