Thermische Impedanz von Leistungswandlern – Die wichtigsten Punkte im Überblick

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:



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.