Dichte Gehäuse Wohin mit der Wärme?

In rauen Umgebungen sind hermetisch dichte Gehäuse für Stromversorgungen notwendig. Wohin aber mit der Wärme? Die Kontaktkühlung über eine Grundplatte stellt eine einfache und kostengünstige Lösung für das thermische Management dar. Durch den Ansatz mit diskreten Bauelementen lassen sich solche Netzteile kleiner, effizienter und flexibler gestalten.

Anwendungen wie Basisstationen in der Telekommunikation und Infrastruktur für »intelligente« Stromnetze (Smart Grid) erfordern immer öfter Netzteile, die in rauen Umgebungsbedingungen arbeiten können. Diese Systeme unterliegen extremen Anforderungen hinsichtlich Temperatur, Staub sowie Luftfeuchte und müssen dauerhaft und sehr zuverlässig arbeiten, da Wartungsarbeiten an abgelegenen Orten sehr aufwendig und Stillstandszeiten nicht akzeptabel sind.

Um die Systeme vor Staub und Feuchte zu schützen, werden oft hermetisch dichte Gehäuse eingesetzt, was aber Probleme beim thermischen Management der Stromversorgung zur Folge hat. Ist ausreichend großer Bauraum vorhanden, nutzen Anwender üblicherweise ein überdimensioniertes konvektionsgekühltes Netzteil. Wenn zum Beispiel ein Netzteil die volle Leistung bis +50 °C liefert, ist bei +70 °C ein Derating auf 50% zu beachten. Damit ist für den Betrieb bei höheren Umgebungstemperaturen ein Netzteil nötig, das die doppelte Leistung liefern kann.

Dies ist bis zu einem gewissen Punkt praktikabel, aber nicht mehr bei höheren Leistungen oder beschränktem Platz, also typischen Anforderungen von Smart-Grid-Anwendungen oder Telekom-Basisstationen (Bild 1). In diesen Fällen sind in relativ kleinen Gehäusen oft 500 W und mehr erforderlich. Folglich müssten beispielsweise 1000-W-Netzteile eingesetzt werden, was von der Größe und auch den Kosten her nicht machbar und tragbar ist.

Ist wegen des hohen Leistungsbedarfs Konvektionskühlung ausgeschlossen, muss ein Weg gefunden werden, um die Wärme aus dem Gehäuse zu befördern. Geschlossene Gehäuse erschweren forcierte Kühlung, da Lüfter Schmutz und Staub ansaugen. Filtermatten sind möglich, aber sie reduzieren den Luftstrom signifikant. Zwar könnte man größere Lüfter einsetzen, aber es besteht die Gefahr, dass die Filter verschmutzen und dadurch keine Lüftung mehr zulassen. Dies ist alles inkompatibel zu den Anforderungen an einfache Wartung und hoher Zuverlässigkeit. Eine einfache und kostengünstige Alternative, um die Verlustwärme aus dem Gehäuse zu bekommen, ist daher der Einsatz von kontaktgekühlten Geräten.

Grundlagen zur Kontaktkühlung

Bei kontaktgekühlten Geräten sind die meisten der wärmeerzeugenden Bauteile wie MOSFETs, Dioden und magnetische Bauteile zur Wärmeableitung mittels thermischer Kontaktierung direkt auf die metallische Baseplate montiert. In der Regel wird die Stromversorgung innen an ein Gehäuse montiert, um es als Kühlkörper zu nutzen oder die Wärme über das Metallgehäuse zu einem extern montierten Kühlkörper zu leiten.

Zunächst ist zu prüfen, ob das Gehäuse groß genug ist, um die Abwärme des Netzteils abzuleiten, oder ob ein zusätzlicher Kühlkörper benötigt wird. Diesen Punkt müssen Anwender unbedingt betrachten, da sich dies andernfalls negativ auf die Zuverlässigkeit des Gerätes auswirken kann. Betrachten wir dazu die kontaktgekühlte Serie »CCH« von XP Power.

Sie erlaubt bei einer Umgebungstemperatur von +40 °C eine maximale Baseplate-Temperatur von +85 °C und hat bei 400 W (Pout) einen Wirkungsgrad η von 90% (Bild 2). Aus Gleichung (1) folgt, dass die abzuführende Verlustleistung (PV) 44,4 W beträgt.
(1) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»P«/mi»«mi»v«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»P«/mi»«mi»out«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»§#951;«/mi»«/mrow»«mi»§#951;«/mi»«/mfrac»«/math»
Unter der Annahme, dass die Baseplate an den Kühlkörper thermisch optimal angebunden ist, lässt sich mithilfe von Gleichung (2) die Temperatur der Grundplatte Tbaseplate bestimmen.
(2) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»T«/mi»«mi»baseplate«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»T«/mi»«mi»ambient«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»R«/mi»«mi»§#952;ba«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»P«/mi»«mi»v«/mi»«/msub»«/math»
Hier ist Tambient die Umgebungstemperatur, Rθba ist der thermische Widerstand zwischen der Grundplatte und der Umgebungsluft. Löst man diese Gleichung nach Rθba auf, lässt der maximale thermische Widerstand bestimmen (Gleichung (3)).
(3) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»R«/mi»«mi»§#952;ba«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«msub»«mi»T«/mi»«mi»baseplate«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»T«/mi»«mi»ambient«/mi»«/msub»«/mrow»«msub»«mi»P«/mi»«mi»v«/mi»«/msub»«/mfrac»«/math»
Soll bei +40 °C Umgebungstemperatur die Baseplate-Temperatur nicht höher als +85 °C sein, darf der thermische Widerstand etwa 1,0 K/W nicht übersteigen. Es ist hierbei unbedingt zu beachten, dass dies nur eine überschlägige Berechnung ist, da das Kühlkörperdesign ein sehr komplexer Prozess ist. Nach der Berechnung muss ein Test mit Temperaturmessungen an der Grundplatte und den Kondensatoren (diese begrenzen die Lebensdauer eines Netzteils) durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Kühlung auch der berechneten Wirkung entspricht.

Das Design der Stromversorgung selbst beeinflusst die Zuverlässigkeit eines kontaktgekühlten Systems maßgeblich. Der Wirkungsgrad der Stromversorgung sollte so hoch wie möglich sein, da weniger Verlustleistung auch einen kleineren Kühlkörper bedeutet. Bleibt man andererseits bei einem größeren Kühlkörper, sinkt bei steigendem Wirkungsgrad die Temperatur im Inneren des Netzteils. Dadurch steigt die Lebensdauer des Gerätes. Als Richtwert gilt hier: Bei 10 K weniger verdoppelt sich die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren.

Diskreter Aufbau ist besser

Die üblichen kontaktgekühlten Netzteildesigns verwenden in der Regel Powermodule. Diese DC/DC-Module sind für Kontaktkühlung entwickelt, benötigen aber zusätzliche Bauteile für Filter und PFC. Diese richtig auszulegen und im Gerät zu platzieren sowie gleichzeitig die EMV und Kühlung sicherzustellen ist eine große Herausforderung.

Obwohl diese Module einen hohen Wirkungsgrad haben, verschlechtert sich der Gesamtwirkungsgrad durch die zusätzlichen Filterelemente und die PFC-Stufe. Kommen anstatt von Modulen diskrete Bauteile zum Einsatz - wie bei der CCH-Serie -, kann der Wirkungsgrad jeder Stufe optimiert werden. Die Entwickler können dabei alle wärmeproduzierenden Bauteile optimal an die Baseplate anbinden und die wärmeempfindlichen Komponenten (z.B. die Elektrolytkondensatoren) davon räumlich getrennt oder zumindest isoliert zur (heißen) Grundplatte platzieren, um die Lebensdauer des Gerätes zu erhöhen.

Des Weiteren lassen sich die wärmeproduzierenden Bauteile besser über die Baseplate verteilen, um den Wärmetransfer zu optimieren und Wärmenester zu vermeiden. Da die Entwickler alle Schaltungsteile beeinflussen können, erhöht sich die Flexibilität. Der Hersteller kann dadurch Anfragen nach modifizierten Versionen leichter erfüllen, wenn die Anwendung es erfordert. Auch lässt sich die Stromversorgung so von Grund auf entsprechend den EMV-Anforderungen entwickeln sowie durch zusätzliche Schutzbeschaltung am Eingang äußerst robust gegen Netztransienten machen.

Die diskret aufgebauten Geräte der Serie CCH erfüllen sowohl die EMV-Forderungen nach EN 55022 Grenzkurve B als auch die der MIL-STD-461. Letztere Norm enthält bei leitungsgebundenen Störungen Frequenzen ab 10 kHz. Dies können Standardnetzteile selbst mit geringer Leistung nur mit externer Beschaltung erfüllen. Ein weiteres Argument für den diskreten Aufbau eines kontaktgekühlten Gerätes ist, dass Anwender bei der Verwendung eines Moduls von dessen Abmessungen abhängig sind, wogegen sie beim diskreten Aufbau die Bauteile in optimaler Weise anordnen können.

Über den Autor:

Peter Blyth ist Industry Director Medical bei XP Power.