Wärmewiderstand und Kühlkörperberechnung

Was bedeutet thermischer Widerstand?

Der thermische Widerstand ist das Verhältnis der Temperaturdifferenz entlang eines bestimmten Wärmeleitpfads zur Wärmeleistung, die durch diesen Pfad fließt: Rθ=ΔT/P. Die Einheit wird als °C/W oder K/W angegeben; bei Temperaturdifferenzen sind diese beiden Einheiten numerisch äquivalent. Ein niedrigerer Widerstand bedeutet eine geringere Temperaturdifferenz bei gleicher Leistung. Die verglichenen Werte müssen jedoch unter denselben Randbedingungen gemessen worden sein.

Die Punkte im Wärmeleitpfad identifizieren

Tj ist die Temperatur des Halbleiterübergangs, Tc der definierte Gehäusepunkt, Ts die Basis des Kühlkörpers und Ta die Umgebungstemperatur. RθJC steht für den Pfad Übergang-Gehäuse, RθCS für Gehäuse-Kühlkörper und RθSA für Kühlkörper-Umgebung. Diese Kette ist ein Näherungsmodell, bei dem die Wärme hauptsächlich über die gewählte Gehäuseoberfläche abgeführt wird; sie ist nicht uneingeschränkt auf jedes Gehäuse anwendbar.

Schritt-für-Schritt-Berechnungsbeispiel

Annahme: 15 W Verlustleistung, 45 °C lokale Umgebungstemperatur, 105 °C Zieltemperatur am Übergang, 1,2 °C/W Übergang-Gehäuse-Widerstand und 0,3 °C/W Schnittstellenwiderstand. Das Gesamtbudget beträgt (105−45)/15=4 °C/W. Das für den Kühlkörper verbleibende Budget liegt bei 4−1,2−0,3=2,5 °C/W. Für einen Kandidaten, der unter realen Montagebedingungen 2 °C/W liefert, ergibt sich eine geschätzte Temperatur von Tj=45+15×(1,2+0,3+2)=97,5 °C. Die Zahlen im Beispiel dienen nur zu Schulungszwecken und stellen keine Produktmessung dar.

Ändert sich die Umgebung, ändert sich das Ergebnis

Im selben Beispiel steigt die geschätzte Temperatur bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C auf 107,5 °C, wodurch das Ziel von 105 °C überschritten wird. Daher ist ein Muster, das nur bei Raumtemperatur erfolgreich arbeitet, kein ausreichender Nachweis. Fertigungstoleranzen, Verschmutzung und Schwankungen im Luftstrom sind ebenfalls Gründe für Sicherheitsmargen im Design.

Warum sollten RθJA und RθJC nicht verwechselt werden?

Der im Datenblatt angegebene Wert für den Übergang zur Umgebung (RθJA) beinhaltet den Einfluss der verwendeten Testplatine und der Umgebung. Den Widerstand des Kühlkörpers einfach zu diesem Wert zu addieren, führt in den meisten Fällen zu einem falschen Modell. Es können unterschiedliche thermische Werte für die Ober- und Unterseite des Gehäuses vorliegen; verwenden Sie in Ihrer Berechnung die Definition für die tatsächliche Kühlfläche. Verwenden Sie auch Charakterisierungsparameter wie ΨJT nicht direkt als Ersatz für den seriellen thermischen Widerstand.

Impulsbelastung und gemeinsamer Kühlkörper

Bei kurzen Leistungsimpulsen liefert der stationäre Widerstand allein nicht die Spitzentemperatur am Übergang; hierfür sind die transienten thermischen Impedanzkurven des Herstellers und das Tastverhältnis erforderlich. Wenn sich mehrere Komponenten auf demselben Kühlkörper befinden, erwärmt sich dieser durch die Gesamtwärme, wobei der jeweilige Gehäusepfad jeder Komponente separat bewertet werden muss. Auch die Position der Wärmequellen kann die lokalen Basistemperaturen verändern.

Häufig gestellte Fragen

Bedeuten 2 °C/W die Temperatur des Kühlkörpers?

Nein. Es bezeichnet die Temperaturdifferenz, die pro Watt unter den angegebenen Bedingungen entsteht.

Was bedeutet es, wenn das Berechnungsergebnis negativ ausfällt?

Das gewählte Ziel und die Verlustleistung könnten das Budget für den Gehäuse-/Schnittstellenpfad bereits ausschöpfen. Die Verlustleistung, das Gehäuse, die Schnittstelle oder das Kühlkonzept müssen überdacht werden.

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