Wärmemanagement bei DC/DC-Wandler

Kleiner, leistungsstärker, besser! Das ist auch die Devise im Bereich der DC/DC-Wandler. Daher ist ein gutes thermisches Management ein wichtiger Designvorgang geworden. Aber wie mit der Abwärme umgehen?

Kleiner, leistungsstärker, besser! Das ist auch die Devise im Bereich der DC/DC-Wandler. Daher ist ein gutes thermisches Management ein wichtiger Designvorgang geworden. Aber wie mit der Abwärme umgehen?

Eines ist sicher: Nie wird ein Energiewandler einen Wirkungsgrad von 100% erreichen. Folglich geht stets ein Teil der umzuwandelnden Energie verloren. Diese wird in Wärme umgesetzt und muss letztendlich abgeführt werden. Eine Aussage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik lautet, dass Wärme von selbst immer nur vom wärmeren zum kälteren Ort fließen kann. Das bedeutet, dass die entstandene Verlustwärme vom DC/DC-Wandler nur in die kältere Umgebung abfließen kann. Je kleiner aber die Temperaturdifferenz zwischen Wandler und Umgebung ist, umso weniger Wärme wird abgeführt, sodass sich der Wandler weiter erwärmt.

Aber welche Temperaturangabe im Datenblatt ist zu Berechnungen heranzuziehen? Recom gibt in seinen Datenblättern zwei Temperaturen an, zulässige Umgebungstemperatur (operating temperature range) mit oder ohne Derating und die maximal zulässige Gehäusetemperatur. Manche Hersteller sagen, das wäre das Gleiche. Die Gehäuse(oberflächen)-temperatur des Moduls liegt üblicherweise bei +100 °C bis +105 °. Dieser Wert erscheint sehr hoch, er umfasst jedoch die Eigenerwärmung durch die inneren Verluste sowie die Erwärmung durch die Umgebungstemperatur. Ursache für die Verluste sind unter anderem die Schaltverluste der Transistoren, Gleichrichtverluste, Kernverluste im Trafo, Kupferverluste in den Wicklungen und Leiterbahnen. Die thermische Grenze markieren die Curietemperatur des Kernmaterials des Trafos, die maximale Sperrschichttemperatur der Schalttransistoren oder maximale Betriebstemperaturen von Kondensatoren. Ein Wandler mit niedrigem Wirkungsgrad erreicht diese Grenze schneller als eine Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad.

Um ein optimales thermisches Management zu erzielen, werden Wandler mit einer wärmeleitfähigen Vergussmasse komplett ausgegossen, um die punktuell auftretende Verlustwärme gut abzuleiten. Recom setzt ein Vergussmaterial mit einem Wärmeleitwert λ von 0,4 W/(m • K) ein. Eventuell ist hierbei zusätzlich ein Kühlkörper notwendig.

Zur Beschreibung der thermischen Grenzen gibt Recom die maximal zulässige Umgebungstemperatur an, da sich diese zu Überprüfungszwecken leicht bestimmen lässt. Der Vorteil besteht darin, dass sich die aktuell vorliegenden Bedingungen messen lassen und nicht theoretisch ermittelt werden müssen, egal ob es sich um eine offene oder geschlossene Baugruppe handelt. Ebenso kann die maximal zulässige Gehäusetemperatur zur Überprüfung der richtigen Dimensionierung eines Kühlkörpers herangezogen werden. Die Oberflächentemperatur des Gehäuses muss bei maximaler Umgebungstemperatur unter ihrem Maximalwert liegen.

Zur Berechung wird das »Ohmsche Gesetz« (R = U/I) in modifizierter Form herangezogen (1), wobei der elektrische Widerstand dem thermischen Widerstand entspricht, der elektrische Strom der Leistung und die Temperatur der Spannung. Mit Gleichung (2) lässt sich die Verlustleistung berechnen. Dabei sind Rϑ,CA der thermische Widerstand von Gehäuseoberfläche zur Umgebung, TC die Gehäusetemperatur, TA die Umgebungstemperatur, Pd die Verlustleistung, Pin die Eingangsleistung, Pout die Ausgangsleistung und η der Wirkungsgrad im Arbeitspunkt.

Mit Hilfe von Gleichung (1) kann die maximal mögliche Umgebungstemperatur für eine bestimmte Ausgangsleistung eines DC/DC-Wandlers berechnet werden, wobei zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad immer eine Funktion der Ausgangsleistung und auch der Eingangsspannung ist (Bilder 1 und 2).