Innenstrukturierte Kühlplatten
Flüssigkeitskühlkörper mit gefrästen oder eingesetzten Kanal- oder Pinstrukturen. (...)
Elektronikkühlung: Leistungselektronik und Halbleiter zuverlässig kühlen
Steigende Leistungsdichte macht die Wärmeabfuhr zum entscheidenden Faktor. Dieser Leitfaden zeigt, wann Luftkühlung ausreicht, wann eine Flüssigkeitskühlung nötig wird und wie Sie die passende Kühllösung für Ihre Leistungselektronik auslegen.
Warum Elektronikkühlung über Leistung und Lebensdauer entscheidet
Überall dort, wo elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, muss diese zuverlässig abgeführt werden. Die Betriebstemperatur hat dabei direkten Einfluss auf die Lebensdauer: Als Faustregel halbiert bereits ein Anstieg um 10 Kelvin die zu erwartende Lebensdauer eines Bauteils.
Moderne Systeme mit hoher Leistungsdichte stoßen mit natürlicher Konvektion schnell an ihre Grenzen. Bleibt die Wärme im Bauteil, sinken Leistung und Zuverlässigkeit, im Extremfall fällt das System aus. Eine passend ausgelegte Elektronikkühlung hält die Sperrschichttemperatur sicher unter dem Grenzwert.
Elektronikkühlung bezeichnet die gezielte Abfuhr der Verlustleistung elektronischer Bauteile an ein Kühlmedium, damit die Sperrschichttemperatur unter dem zulässigen Grenzwert bleibt. Je nach Verlustleistung und Bauraum kommen Luftkühlkörper oder Flüssigkeitskühler zum Einsatz.
Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung: die Grundsatzentscheidung
Welche Kühltechnik passt, hängt vor allem von Verlustleistung, Leistungsdichte und Bauraum ab. Die folgende Einordnung hilft bei der ersten Entscheidung.
Luftkühlung eignet sich, wenn
- die Verlustleistung moderat ist und der Wärmewiderstand mit einem Kühlkörper erreichbar bleibt
- ausreichend Bauraum und Luftstrom zur Verfügung stehen
- eine einfache, wartungsarme Lösung gefragt ist
Flüssigkeitskühlung lohnt sich, wenn
- hohe Verlustleistungen auf kleinem Bauraum abgeführt werden müssen
- eine gleichmäßige Temperaturverteilung und geringe Hotspots gefordert sind
- Luftkühlung an ihre physikalischen Grenzen stößt
Verfahren der Elektronikkühlung im Überblick
Passive Luftkühlung
Kühlkörper geben die Wärme ohne Ventilator über natürliche Konvektion und Abstrahlung ab. Geeignet für geringe bis mittlere Verlustleistungen mit ausreichendem Bauraum.
Erzwungene Luftkühlung
Ventilatoren oder Gebläse führen die Luft aktiv über den Kühlkörper. Das senkt den Wärmewiderstand deutlich und erschließt höhere Verlustleistungen, etwa mit Lamellen- oder Pinfin-Kühlkörpern.
Flüssigkeitskühlung
Kühlplatten mit durchströmten Kanälen transportieren die Wärme wesentlich effektiver als Luft. Die erste Wahl bei hoher Leistungsdichte, engem Bauraum und niedrigem Ziel-Wärmewiderstand.
Kühlung von Leistungselektronik und Halbleitern
Leistungshalbleiter wie IGBT, MOSFET oder SiC-Bauteile erzeugen hohe Verlustleistungen auf sehr kleiner Fläche. Damit die Sperrschichttemperatur im sicheren Bereich bleibt, muss der gesamte Wärmewiderstand von der Sperrschicht bis zum Kühlmedium klein genug sein. Bei hohen Verlustleistungen führt daran meist kein Weg an einer Flüssigkeitskühlung vorbei.
Beispiel aus der Praxis
Ein IGBT mit 2000 W Verlustleistung auf 0,03 m², maximal 70 °C Bauteiltemperatur und 20 °C Umgebung ergibt einen erforderlichen Wärmewiderstand von rund 0,025 K/W. Dieser Wert ist mit Luftkühlung nicht mehr erreichbar. Hier ist eine Flüssigkeitskühlung mit Kühlplatte erforderlich.
Elektronikkühlung Schritt für Schritt auslegen
Mit wenigen Kenngrößen lässt sich die passende Kühlung abschätzen. Unsere kostenlosen Rechner führen durch die wichtigsten Schritte.
Ihre Leistungselektronik braucht eine passende Kühlung?
Unsere Thermoexperten legen die Kühllösung auf Ihre Verlustleistung, Ihren Bauraum und Ihr Kühlmedium aus.
Elektronikkühlung nach Branche
Je nach Anwendung gelten unterschiedliche Anforderungen an Kühlleistung, Bauraum und Werkstoffe. Ein Auszug typischer Einsatzfelder:
Passende Rechner und Grundlagen
Häufige Fragen zur Elektronikkühlung
Elektronikkühlung ist die gezielte Abfuhr der Verlustleistung elektronischer Bauteile an ein Kühlmedium. Ziel ist es, die Sperrschichttemperatur unter dem zulässigen Grenzwert zu halten und so Leistung und Lebensdauer zu sichern.
Luftkühlung eignet sich bei moderater Verlustleistung und ausreichendem Bauraum. Bei hoher Leistungsdichte, engem Bauraum oder sehr niedrigem Ziel-Wärmewiderstand ist eine Flüssigkeitskühlung die effizientere Lösung.
Entscheidend ist der gesamte Wärmewiderstand von der Sperrschicht bis zum Kühlmedium. Bei hohen Verlustleistungen auf kleiner Fläche wird meist eine Flüssigkeitskühlung mit Kühlplatte eingesetzt, um die Sperrschichttemperatur sicher einzuhalten.
Durch einen geringeren Gesamt-Wärmewiderstand: bessere Wärmeleitmaterialien, größere Kontaktflächen, kürzere Wärmepfade und eine leistungsfähigere Kühlung, etwa den Wechsel von Luft- auf Flüssigkeitskühlung.
Das hängt von Verlustleistung, Bauraum und Kühlmedium ab. Für Luftkühlung kommen Lamellen- oder Pinfin-Kühlkörper infrage, für hohe Leistungsdichten Kühlplatten mit eingepressten Rohren oder Innenstrukturen. Wir legen die passende Lösung individuell aus.
Entwärmung ist ein anderer Begriff für die Abfuhr der Verlustwärme aus elektronischen Baugruppen. Sie umfasst den gesamten Weg der Wärme vom Bauteil über Wärmeleitmaterialien und Kühlkörper bis an die Umgebung oder das Kühlmedium.
Die passende Kühllösung für Ihre Elektronik
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