Berechnungsgrundlagen für Kühlkörper Wie berechne ich den Wärmewiderstand?

Berechnungsgrundlagen von Kühlkörper-Applikationen
Berechnungsgrundlagen von Kühlkörper-Applikationen

Beim Studium von Kühlkörper-Datenblättern wird dem Schaltungsentwickler auffallen, dass er eine Vielzahl von Diagrammen vorgesetzt bekommt, die er richtig bewerten kann, wenn er für seine Applikation die nötigen Parameter, wie zum Beispiel die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbausteins, kennt.

Verschiedene Materialien leiten Wärme unterschiedlich gut. Der Wärmewiderstand ist ein Wert, der angibt, wie gut oder schlecht ein Bauteil Wärme ableitet. Je kleiner dieser Wert ist, desto geringer ist der Temperaturanstieg. Bei Systemen, in denen ein Kühlkörper zum Einsatz kommt, ist ein niedriger Wärmewiderstand ein Indiz dafür, dass der Kühlkörper effektiv arbeitet. Kühlkörper werden eingesetzt, um die Temperatur von elektronischen Bauteilen so gering wie möglich zu halten und zu starke Erwärmung zu vermeiden. Denn die Überhitzung von Bauteilen kann zu Fehlfunktionen im System oder sogar zur Zerstörung einzelner Komponenten führen. Ein Kühlkörper mit geringem Wärmewiderstand hilft effektiv, elektronische Bauteile vor Überhitzung zu schützen.

Berechnungsgrundlagen für den passenden Kühlkörper

Der Wärmewiderstand beim Kühlkörper wird in Kelvin/Watt (K/W) gemessen. Für die Auswahl des richtigen Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand entscheidend. Daher ist es empfehlenswert, vorab den benötigten Wärmewiderstand für den gesuchten Kühlkörper zu berechnen. Was der Anwender dabei beachten muss, wird im Folgenden beschrieben.

Als erstes muss man wissen, dass für die einwandfreie Funktion von elektronischen Halbleiterbauelementen die Einhaltung einer vom Hersteller vorgegebenen maximalen Sperrschichttemperatur des Halbleiterkristalles unerläßlich ist. Diese maximale Sperrschichttemperatur lässt sich ohne zusätzliche Kühlung nur bei geringen Leistungs-anforderungen einhalten. Bei höheren Leistungsanforderungen müssen die Halbleiter zusätzlich mit wärmeableitenden Kühlkörpern versehen werden.

Die thermische Leistung der Kühlkörper basiert in erster Linie auf der Wärmeleitfähigkeit des Materials, Größe der Oberfläche und Masse des Kühlkörpers. Die Farbe der Oberfläche, die Einbaulage, der Einbauort, die Temperatur und die Geschwindigkeit der umgebenden Luft sind variable Größen und unterscheiden sich von Fall zu Fall erheblich.

Eine weitere Einfluss nehmende Größe ist die Art der Montage und die Art der Isolation des Halbleiters auf dem Kühlkörper oder umgekehrt. Diese lässt sich allerdings recht zuverlässig in Versuchen ermitteln und in die im folgenden Abschnitt zusammengetragenen Gleichungen einfügen.

Es bleibt noch festzuhalten, dass es international keine gültige Norm gibt, die ein verbindliches Messverfahren für die Ermittlung von Wärmewiderständen an Kühlkörpern für die Elektronik festlegt.