1. Die Grundlagen der Wärmeströmung
Jede Komponente eines thermischen Systems kann einer einzelnen Kategorie oder einer Mischung daraus zugeordnet werden:
- Wärmequelle — Bauteile, die Wärme erzeugen (z. B. Transistoren, Transformatoren)
- Wärmeableiter — Oberflächen oder Strukturen, die Wärme an Luft oder Flüssigkeit abgeben
- Wärmeleiter — Materialien, die Wärme zwischen Wärmequellen und Wärmeableitern transportieren
Wärmequellen
In DC/DC-Wandlern zählen Bauteile, die elektrischen Strom oder Magnetfelder leiten, zu den Wärmequellen. Verluste in diesen Materialien erzeugen Wärme.
Wärmeableiter
Kühlkörper und Luftstromsysteme leiten Wärme an die Luft ab. Ihre Effizienz hängt ab von Oberfläche, Design und Luftstrom. Der Wärmewiderstand misst, wie stark die Temperatur bei einem gegebenen Leistungsverlust ansteigt.
Wärmeleiter
Metalle wie Kupfer, aber auch Keramiken, sind hervorragende Wärmeleiter. Kupfer ist besonders interessant, da es sowohl Strom als auch Wärme leitet. Wenn Kupferleiterbahnen Strom führen, erzeugen sie jedoch auch Wärme, wodurch ein Leiter selbst zur Wärmequelle wird. Diese dynamische Eigenschaft erklärt, warum Der Wärmewiderstand ist kein fester Wert..
2. Thermische Masse und Zeitkonstanten
Materialien besitzen eine thermische Masse – die Energie, die benötigt wird, um ihre Temperatur zu ändern. Luft hat eine geringe thermische Masse, Wasser hingegen eine hohe. Dies beeinflusst transientes thermisches Verhalten aufgrund unterschiedlicher thermischer Zeitkonstanten innerhalb des Systems:
- FET-Chip: 10–50 ms
- DC/DC-Wandler: 2–10 s
- Komplettes System: Minuten
Dies bedeutet, dass Feldeffekttransistoren (FETs) schnell auf Laständerungen und rasche Temperaturänderungen reagieren, während das größere System langsamer reagiert.
3. Auslegung auf thermische Effizienz
Das Ziel ist einfach: Minimierung des Wärmewiderstands in der Nähe von Wärmequellen und die Wärme nach und nach auf größere Bereiche auszubreiten.
Beispiel:
- Ein FET mit einem 2×2 mm großen Wärmeleitpad, das 1 W Verlustleistung abführt → 250 mW/mm²
- Die Wärme fließt zu einer Grundplatte und dann zu einem Kühlkörper.
- Selbst mit einer offenen Grundplatte (35% offen) sinkt der Wärmefluss auf 25 mW/mm²
Überraschenderweise verbessert das Abdecken der gesamten Grundplatte nicht immer die Leistung, da der Flaschenhals meist in der Nähe der Transistoren liegt.
4. Wärmeverteilung und Kühlkörper
Wärmeverteiler verteilen die Wärme in der XY-Ebene und vergrößern die Kontaktfläche zu den Kühlkörpern. Mit steigendem Wärmestrom wird die Wärmeverteilung jedoch schwieriger – dickere Wärmeverteiler sind daher erforderlich.
Kühlkörperdesign
- Die Unterseite des Kühlkörpers trägt zur Wärmeabfuhr bei und ergänzt die DC/DC-Grundplatte.
- Die Ausrichtung der Kühlrippen ist bei der Wärmeverteilung von Bedeutung.
- Oberfläche und Ausrichtung spielen eine große Rolle für die Leistung
- Kupferkühlkörper eignen sich am besten zur Ausbalancierung ungleichmäßiger Wärmeverteilung.
Wärmeblöcke (flüssig)
Thermische Blöcke zeichnen sich durch ihre hervorragende Wärmeabfuhr von kleinen Kontaktflächen aus und reduzieren so Temperaturgradienten. Diese höhere Kühlleistung führt jedoch häufig zu einem höheren Energiebedarf und schafft damit neue Herausforderungen.
5. Offene Bodenplatten: Vor- und Nachteile
Offene Deckkonstruktionen lassen Lücken für die hohen magnetischen Materialien wie Ferrit, die hoher Wärmewiderstand und geringe Eigenerwärmung. Das Abdecken dieser Spalten mit dünnem Aluminium hilft nur dann, wenn die Kühllösung die Lücke nicht überbrücken kann.
Integrierte Kühlkörper-Grundplatten-Designs wurden getestet und funktionieren technisch – ihre kommerzielle Verbreitung ist jedoch weiterhin begrenzt.
6. Thermische Modellierung
Die thermische Analyse ist komplex und umfasst mehrere Quellen und Leiter. Typischerweise gibt es zwei Vorgehensweisen:
- Empirische Tests — Messung des Wärmewiderstands in kontrollierten Umgebungen
- Simulation — Modellierung während der Entwurfsphase, Verfeinerung mit realen Daten
Moderne Simulationen werden dank iterativer Rückkopplungsschleifen immer genauer.
7. Thermische Revolution
Der Begriff mag gewagt klingen, doch die Entwicklung im Bereich des thermischen Designs war geradezu revolutionär. Betrachtet man die digitalen Viertel-Brick-Wandler von Flex Power Modules über die Jahre, so hat sich die Ausgangsleistung dramatisch erhöht – von 400 W bis 2 kW Dauerleistung.
Was hat diesen Sprung ermöglicht? Verbesserte Komponenten und Topologien spielen zwar eine Rolle, ein wesentlicher Teil des Fortschritts ist jedoch auf Folgendes zurückzuführen: bessere thermische Eigenschaften.
Zum Beispiel:
- Vergleichen von frühen BMR453 Module bis zum neuesten Stand BMR491 und BMR352, Der Wärmewiderstand zwischen Hotspot und Grundplatte ist gesunken um 3–4 Mal.
- In der Praxis, wo könnte sich der BMR453 auflösen? 25 W an einer kalten Wand, neuere Produkte können damit umgehen 75–100 W unter ähnlichen Bedingungen.
Diese Verbesserung bedeutet, dass, sobald die Wärme den Kühlkörper erreicht, Luftstromgeschwindigkeit, Kühlkörpergröße oder sogar Flüssigkeitskühlung werden zu notwendigen Überlegungen, um das volle Leistungspotenzial auszuschöpfen.
