Lytron - Total Thermal Solutions
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Kühlung für sechs Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode

Abbildung 1: Kundenspezifisches vakuumgelötetes Kühlplattenbauteil

Bei hohen Wärmebelastungen brauchen Originalgerätehersteller für ihre Leistungselektronik oft eine Flüssigkeitskühlung. In den meisten Fällen ist ein Standardprodukt von der Stange nicht ausreichend für die Spezifikationen eines Originalgeräteherstellers. Die Konstruktionsabteilung eines Originalgeräteherstellers für die Industrie hat den Bedarf an einer kundenspezifischen Lösung erkannt und eine Kühlplatte unter Verwendung einer im Handel erhältlichen Software entworfen. Die Wärmeleistung der so konstruierten Kühlplatte entsprach nicht den Erwartungen des Herstellers. Daher wandte er sich an Lytron, um die sechs Bipolartransistoren in ihrem Frequenzumrichter zu kühlen. Das Umrichterdesign sollte schließlich in Strom erzeugenden Windturbinen eingesetzt werden. Lytron entwarf und fertigte eine kundenspezifische, vakuumgelötete Aluminiumkühlplatte, die die Erwartungen des Originalgeräteherstellers noch übertraf.

Die Herausforderung bei der Kühlung von Bipolartransistoren

Die gesamte Wärmebelastung des Originalgeräteherstellers je Kühlplatte betrug etwa 15 kW – 2,5 kW je 120 x 160 mm-Bipolartransistormodul. Der maximal zulässige Druckverlust betrug 1 bar. Die Konstrukteure des Originalgeräteherstellers verwendeten ein Ethylenglykol-Wasser-Gemisch im Verhältnis 30:70 als Kühlmittel mit einer Höchsttemperatur von 60 °C bei einer Durchflussmenge von 50 l/min. Höhere Temperaturen bei Eintritt der Flüssigkeit in die Kühlplatte um 60 °C sind üblich bei Anwendungen für Stromerzeugung und Antriebstechnik, bei denen die Wärme durch Umgebungsluft von der Flüssigkeit abgeleitet wird. Diese Anwendungen können Umgebungsbedingungen von bis zu 50 °C ausgesetzt sein.

Ziel bei der Bipolartransistorkühlung ist es bei den meisten Anwendungen, eine möglichst niedrige Chip-Temperatur zu erzielen sowie ein minimales Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Modulen, um die Lebensdauer des Halbleiters zu erhöhen. Bei dieser Anwendung war das der Fall. Der Originalgerätehersteller machte zudem Vorgaben für eine kundenspezifische Zu- und Ableitungskonfiguration mit Schnellverschluss und Schlauch, damit sich die Kühlplatte möglichst einfach integrieren lässt. (Siehe Abbildung 1.) Die Montageöffnungen des Bipolartransistors sowie die Montageöffnungen für die Befestigung der Kühlplatte innerhalb der Anwendung unterlagen engen Toleranzspezifikationen.

Die Lösung: Lytrons Kühlplatte für den Bipolartransistor

 Abbildung 2: Leistungsgrafik der kundenspezifischen KühlplatteAbbildung 2: Leistungsgrafik der kundenspezifischen Kühlplatte

Wenn hohe Wärmebelastungen und eine kundenspezifische Kühlplatte benötigt werden, ist eine vakuumgelötete Aluminiumkühlplatte mit eingebauter Lamelle oft die beste Lösung. Die eingebaute Lamelle sorgt für eine wesentlich höhere Wärmeübertragungsfläche als andere Kühlplattentechnologien, beispielsweise kanonengebohrte Kühlplatten, Extrusionskühlplatten oder maschinell bearbeitete Kühlplatten. Die Lamellengeometrie wird aus zahlreichen Konfigurationen ausgewählt, um die benötigte Wärmeleistung zu erzielen. Der Strömungsweg, auf dem die Lamelle liegt, ist ebenfalls kundenspezifisch konfiguriert. So wird ein optimales Ergebnis erzielt, einschließlich des gewünschten Druckverlusts und des geringen Temperaturgefälles. Die Konstrukteure von Lytron haben die Innenteile der Kühlplatte unter Verwendung der firmeneigenen F- und J-Daten für die Wärmemodellierung entworfen. Durch die Verwendung empirischer Daten, die über Jahrzehnte gesammelt wurden, kann Lytron eine wesentlich präzisere Wärmemodellierung anbieten als herkömmliche Wärmesoftwareprogramme von der Stange.

Nachdem der Kunde den neuen Kühlplattenentwurf genehmigt hatte, gaben die Projektkonstrukteure von Lytron das Kühlplattendesign an die Fertigungstechnikabteilung weiter. Hierdurch wurde sichergestellt, dass das Teil genau nach den Konstruktionsvorgaben gefertigt wurde. Während des Fertigungsprozesses durchlief die Kühlplatte den Vakuumlötprozess von Lytron sowie die maschinelle Bearbeitung nach kundenspezifischen Vorgaben. Aufgrund des soliden Vakuumlötprozesses kam eine extreme starke Kühlplatte heraus, die keinerlei korrosive Restflüssigkeit enthielt. Die kritischen Abmessungen der Kühlplatte wurden im Haus gemessen. Dabei wurde eine Koordinatenmessmaschine (CMM) verwendet. Dann durchlief die Kühlplatte noch zusätzliche umfassende Tests, um sicherzustellen, dass sie jeder einzelnen Wärme- und Mechanikspezifikation des Originalgeräteherstellers gerecht wurde.

Die Testergebnisse zeigten, dass das Kühlplattendesign die Spezifikationen nicht nur erfüllte, sondern sogar noch übertraf. (Siehe Abbildung 2.) Die kundenspezifisch konstruierte Kühlplatte wies einen Wärmewiderstand von unter 0,45 °C-cm²/W auf. Die maximale Oberflächentemperatur betrug 72,5 °C und der Druckverlust betrug genau 1 bar bei einer Durchflussmenge von 50 l/min. Durch das Design wurde zudem sichergestellt, dass das Temperaturgefälle zwischen den sechs Energiemodulen minimal war. Wenn Leistung wichtig ist, können kundenspezifische, vakuumgelötete Aluminiumkühlplatten mit “Leistungslamellen" eine gute Lösung für die schwierige Bipolartransistorkühlung sein.

Autoren: Christoph Bauckhage & Tracey Barber