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Praktische Tipps fürs Kühlmanagement

Aktivkühlkörper korrekt entwerfen

23. April 2018, 14:49 Uhr   |  Von Stephan Bachmann


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Wärmewiderstands-Berechnungen

Rth für den Aktivkühlkörper beträgt 1,93 K/W
© Sepa Europe

Rth für den Aktivkühlkörper beträgt 1,93 K/W

Im Vorfeld sollte ermittelt werden, welchen Wärmewiderstand der Aktivkühlkörper haben sollte, damit das Gesamtsystem, trotz Wärmewiderstand des Interface-Materials und einer Sicherheit von 10 K, noch zuverlässig unter der maximal erlaubten Chipgehäusetemperatur blieb.

Die maximale Chipgehäusetemperatur war mit 85 °C vorgegeben und daraus folgerte bei maximaler Umgebungstemperatur von 40 °C ein ∆T = 45 K für das Gesamtsystem. Abzüglich 10 K Sicherheit und abzüglich 0,4 K/W für das Interface-Material errechnete sich ein Rth für den Aktivkühlkörper von 1,93 K/W (Gleichung).

Thermosimulation liefert erste Erkenntnisse

Bild 4. Die Farbverläufe der Thermosimulation lassen erkennen, welche Temperaturen auf der Kühlkörper-Lüfter-Kombination vorherrschen und mit welchen Luftströmungen zu rechnen ist.
© Sepa Europe

Bild 4. Die Farbverläufe der Thermosimulation lassen erkennen, welche Temperaturen auf der Kühlkörper-Lüfter-Kombination vorherrschen und mit welchen Luftströmungen zu rechnen ist.

Im Vorfeld der Musterfertigung und der experimentellen Überprüfung sollte eine CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) des Aktivkühlkörpers Aufschluss über die Erfolgsaussichten der Kühllösung geben. Das 3D-Modell des gesamten Aktivkühlkörpers wurde unter Rahmenbedingungen simuliert, die später auch im Labor leicht nachzustellen sind.

Bei einer Umgebungstemperatur von 26 °C ergab die Analyse eine maximale Chipgehäusetemperatur von 60 °C und somit einen thermischen Gesamtwiderstand von 2,27 K/W. Abzüglich der 0,4 K/W für das Interfacematerial lag der theoretische Wert für den Gesamtkühlkörper bei 1,87 K/W und somit unterhalb des errechneten Wertes. Damit war eine Übererfüllung der geforderten Kühlleistung sichergestellt. Die Bilder 4 und 5 visualisieren die Ergebnisse der Simulation.

Bild 5. Die Farbverläufe lassen erkennen, welche Temperaturen im FPGA und am Übergang zum Kühlkörper und im Kühlkörper selbst herrschen werden.
© Sepa Europe

Bild 5. Die Farbverläufe lassen erkennen, welche Temperaturen im FPGA und am Übergang zum Kühlkörper und im Kühlkörper selbst herrschen werden.

Experimentelle Überprüfung

Für die experimentelle Ermittlung des Wärmewiderstands für Kühlkörper – gleich ob aktiv oder passiv – existiert im Moment keine geltende Norm, welche den Prüfaufbau oder die Rahmenbedingungen beschreiben würde. Bei SEPA Europe erfolgt die Bestimmung mittels einer Heizplatte aus Kupfer, in die ein Thermoelement eingelassen ist. Die Temperatur im Inneren der Kupferplatte steht stellvertretend für die Verhältnisse im Inneren des FPGAs. Erhitzt wird die Kupferplatte durch einen thermisch angekoppelten und isolierten Transistor in TO220-Bauweise. Durch eine strombegrenzte Ansteuerung des Transistors können ca. 15 W Verlustleistung in thermische Energie umgewandelt werden (Bild 6).

Bild 6. Die vom FPGA erzeugte Verlustleistung wird bei SEPA Europe in einem Experiment nachgebildet, bei dem ein Transistor im TO220-Gehäuse die prognostizierten 15 W an Verlustleistung generiert.
© Sepa Europe

Bild 6. Die vom FPGA erzeugte Verlustleistung wird bei SEPA experimentell nachgebildet, bei dem ein Transistor im TO220-Gehäuse die prognostizierten 15 W an Verlustleistung generiert.

Nach dem Ankoppeln der Kupferplatte an die Unterseite des Aktivkühlkörpers stellte sich bereits nach einigen Minuten ein Gleichgewicht aus elektrisch eingekoppelter thermischer Energie und abgeführter thermischer Energie in Form von erwärmter Luft ein. Die Luftfeuchtigkeit wurde bei diesem Experiment vernachlässigt.

Im vorliegenden Fall ergab sich im experimentellen Aufbau bei einer Umgebungstemperatur von 26 °C ein ∆T von 34,5 K. Damit lag der ermittelte Wärmewiderstand bei 2,3 K/W inklusive Interfacematerial und somit sehr nahe am simulierten Wert von 2,27 K/W. Beide Werte lagen im errechneten Soll und bestätigten damit die Funktionsfähigkeit der Entwärmung.

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2. Wärmewiderstands-Berechnungen

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