Grüne Transformation: Herausforderungen der Elektronikkühlung

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Wir leben in der Zeit der grünen Transformation!  

Alle Prozesse und technische Anwendungen sollen und müssen möglichst schnell emissionsfrei gestaltet werden. Dafür werden erneuerbare Energien, wie z.B. Solarenergie und Windkraft massiv ausgebaut. Fossile Antriebsformen werden durch nachhaltigere Alternativen wie die Elektromobilität  abgelöst.  

Auswirkungen auf die Elektronik.  

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologien führt zu immer höheren Leistungsdichten in der Elektronik. Der vorhandene Bauraum erhöht sich jedoch nicht in vergleichbarem Umfang. Im Gegenteil: Bauraumoptimierung hat bei vielen Anwendungen aufgrund von Kostengesichtspunkten ebenfalls Priorität. Das führt in der Konsequenz zu höheren Verlustleistungen der Wechselrichter, Transistoren, IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder sonstigen Halbleiter-Bauelementen.  

Typische Einsatzbereiche sind Wechselrichter von Photovoltaikanlagen, Leistungselektronik von Wallboxen und Ladesäulen, 5G-Antennen und viele Weitere. Hier werden bei entsprechenden Redesigns nicht selten Verlustleistungen verdoppelt. Bei gleichbleibendem oder sogar reduziertem Bauraum. 

Aufgrund der zunehmenden Leistungsdichten auf verkleinertem Raum müssen elektronische Bauelemente wie Wechselrichter oder IGBTs effektiver und besser gekühlt werden. Während noch vor einiger Zeit konventionelle Luftkühlung mit stranggepressten Luftkühlern aus Aluminium (auch Rippenkühler, Profilkühlkörper oder Kammprofile genannt) der gängige Status Quo war, fordern die Leistungsdichten inzwischen vermehrt aktive Kühlelemente wie z.B. Flüssigkühler (auch Cold Plates oder Flüssigkeitskühlplatten genannt). 

Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Produkt- und Herstellungstechnologien für Kühlkörper beginnt hier die Notwendigkeit eines geeigneten und v.a. auch nachhaltigen Thermomanagements mithilfe von optimal ausgelegten Kühlkörpern. Insbesondere der ökologische Footprint der Elektronikkühlung darf unter keinen Umständen bei dieser Entwicklung vernachlässigt werden. 

Der Weg zur effizienten Kühlung in der Leistungselektronik: 

Auch wenn leistungselektronische Bauelemente wie IGBT oder Wechselrichter in Standards verkauft werden, kann die entsprechend notwendige Kühllösung meist nicht standardisiert angeboten werden. Das liegt an den verschiedenen Einsatzbereichen, Ansteuerungen, Umgebungsbedingungen, verfügbaren Bauräumen oder sonstigen Faktoren.  

Eine individuelle Entwicklung einer Kühllösung für die spezifischen Anforderungen ist deshalb in den meisten Fällen der Schlüssel für ein effektives, effizientes und gleichzeitig nachhaltiges Thermomanagement. Hierbei sind Luftkühler, Flüssigkühler (auch Flüssigkeitskühlplatten oder Cold Plates genannt), oder komplexere Siedekühlsysteme entsprechende Lösungsansätze. In jedem Produktbereich gibt es verschiedene Performance- und Herstellungsmerkmale, die projektspezifisch festgelegt werden sollten. Insbesondere bei den Fertigungstechnologien sollten nachhaltige Technologien favorisiert werden, um den Footprint des Gesamtmoduls möglichst gering zu halten. Auch aus ökonomischen Gesichtspunkten spricht inzwischen bei entsprechendem Know-How nichts mehr dagegen.  

Durch eine optimal ausgelegte Elektronikkühlung wird also nicht nur die Lebensdauer der elektronischen Bauelemente maximiert, sondern auch der Footprint der Gesamtanwendung reduziert. Das funktioniert sogar unter ökonomischen Gesichtspunkten, um die Wirtschaftlichkeit einer entsprechenden Anwendung nicht aus dem Auge zu verlieren.  

Wir bei Cool Tec Electronic setzen in der Entwicklung und Optimierung von Kühlkörpern für die Leistungselektronik auf moderne CAE-Methoden. Komplexe Thermosimulationen als iterativer und virtueller Entwicklungsprozess mithilfe von modernster Software sind nicht nur nachhaltig, sondern sparen viel Zeit und Kosten. Der Entwicklungszyklus kann verkürzt werden, die Herstellung von mehreren Prototypen kann meist auf wenige heruntergebrochen werden, wodurch schneller in die Serienfertigung übergegangen werden kann.  

Bei den berücksichtigten Herstellungsverfahren finden wir den passenden Kompromiss zwischen Performance, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Nur so können wir die Anforderungen der heutigen Zeit berücksichtigen. Die Zielsetzung muss sein, eine funktionierende Kühllösung für den gesamten Produktlebenszyklus zu designen und zu fertigen.  

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