Einführung
Eine Frage, die dem technischen Support von RECOM oft gestellt wird, lautet: „Was ist die maximale Betriebstemperatur?“ für einen bestimmten DCDC Wandler. Obwohl es mehrere Möglichkeiten gibt, dies zu bestimmen, ist es immer noch nicht einfach, diese Frage genau zu beantworten. Das liegt nicht daran, dass wir nicht wissen, wie wir unsere Produkte charakterisieren können, sondern daran, dass die endgültige Antwort von vielen verschiedenen Faktoren abhängt, von denen viele mit dem Umrichter selbst nichts zu tun haben.
Alle im Betrieb befindlichen Stromrichter erzeugen Wärme (verursacht durch die interne Verlustleistung), die aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden muss, damit der Stromrichter nicht überhitzt. Typische „Hot-Spot“-Wärmequellen sind die Leistungshalbleiter wie Transistoren und Dioden, die Sperrschichtverluste aufweisen, induktive Komponenten wie Transformatoren und Induktoren, die sowohl DC- als auch AC-Verluste aufweisen, und Leistungswiderstände, die in Beschaltungen und Filtern mit I²R-Verlusten verwendet werden. Der Entwickler muss diese Verluste minimieren, um den Wirkungsgrad des Stromrichters zu maximieren, aber sie sind unvermeidbar.
Die Art und Weise, wie die interne Wärme aus einer heißen Sperrschicht innerhalb eines Halbleitergehäuses entweicht, hängt ebenfalls von vielen Faktoren ab. Der kürzeste „Weg des geringsten Widerstands“ führt typischerweise von der Sperrschicht zur Oberseite des Gehäuses. Von dort kann die Wärmeenergie entweder durch Konvektion, Leitung oder Strahlung an die Umgebung entweichen. Darüber hinaus kann es auch Wärmeleitungspfade zur Umgebung über eine Grundplatte mit Kühlkörpern oder Gap-Pads zum Gehäuse, über die Befestigungsstifte zur Leiterplatte selbst oder zu den Seiten- oder Bodenflächen des Gehäuses geben.
Je nach Aufbau können sich sogar die Ergebnisse von thermischen Messungen erheblich unterscheiden. Was ist z. B. die Kühlung durch „freie Luftkonvektion“? Ist der kühlende Luftstrom vollständig und ungehindert? Oder kann es zu einem lokalen Wärmestau kommen, verursacht durch eng positionierte Komponenten, benachbarte Platinen, die den Luftstrom blockieren, oder schlecht belüftetes Gehäuse? Werden die thermischen Messungen außerdem mit „stiller Luft“ mit null LFM oder mit freier Luftbewegung (20 LFM) oder mit forcierter Luftkühlung (100 LFM) durchgeführt?
Bei platinenmontierten Umrichtern können noch weitere Aspekte eine Rolle spielen, z. B. ob die Platine horizontal oder vertikal montiert ist, ob die Platine aus Glasfaser (FR4) besteht oder ein anderes Substrat verwendet oder welche Kupferstärke für die Leiterbahnen verwendet wird. All diese Faktoren können die thermische Leistung der auf der Platine montierten Teile beeinflussen.
Alle im Betrieb befindlichen Stromrichter erzeugen Wärme (verursacht durch die interne Verlustleistung), die aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden muss, damit der Stromrichter nicht überhitzt. Typische „Hot-Spot“-Wärmequellen sind die Leistungshalbleiter wie Transistoren und Dioden, die Sperrschichtverluste aufweisen, induktive Komponenten wie Transformatoren und Induktoren, die sowohl DC- als auch AC-Verluste aufweisen, und Leistungswiderstände, die in Beschaltungen und Filtern mit I²R-Verlusten verwendet werden. Der Entwickler muss diese Verluste minimieren, um den Wirkungsgrad des Stromrichters zu maximieren, aber sie sind unvermeidbar.
Die Art und Weise, wie die interne Wärme aus einer heißen Sperrschicht innerhalb eines Halbleitergehäuses entweicht, hängt ebenfalls von vielen Faktoren ab. Der kürzeste „Weg des geringsten Widerstands“ führt typischerweise von der Sperrschicht zur Oberseite des Gehäuses. Von dort kann die Wärmeenergie entweder durch Konvektion, Leitung oder Strahlung an die Umgebung entweichen. Darüber hinaus kann es auch Wärmeleitungspfade zur Umgebung über eine Grundplatte mit Kühlkörpern oder Gap-Pads zum Gehäuse, über die Befestigungsstifte zur Leiterplatte selbst oder zu den Seiten- oder Bodenflächen des Gehäuses geben.
Je nach Aufbau können sich sogar die Ergebnisse von thermischen Messungen erheblich unterscheiden. Was ist z. B. die Kühlung durch „freie Luftkonvektion“? Ist der kühlende Luftstrom vollständig und ungehindert? Oder kann es zu einem lokalen Wärmestau kommen, verursacht durch eng positionierte Komponenten, benachbarte Platinen, die den Luftstrom blockieren, oder schlecht belüftetes Gehäuse? Werden die thermischen Messungen außerdem mit „stiller Luft“ mit null LFM oder mit freier Luftbewegung (20 LFM) oder mit forcierter Luftkühlung (100 LFM) durchgeführt?
Bei platinenmontierten Umrichtern können noch weitere Aspekte eine Rolle spielen, z. B. ob die Platine horizontal oder vertikal montiert ist, ob die Platine aus Glasfaser (FR4) besteht oder ein anderes Substrat verwendet oder welche Kupferstärke für die Leiterbahnen verwendet wird. All diese Faktoren können die thermische Leistung der auf der Platine montierten Teile beeinflussen.
