Auswahl eines Wärmeableiters

25. Juli 2017 von Aaron Yarnell

Auswahl eines Wärmeableiters

Wärmeableiter sind ein wichtiges Element im Schaltungsdesign, weil sie die Wärme auf effiziente Weise an die Umgebungsluft übertragen und von elektronischen Geräten (z. B. BJTs, MOSFETs, Linearregler usw.) abführen. Die allgemeine Theorie hinter einem Wärmeableiter besteht darin, die Oberfläche der wärmeerzeugenden Vorrichtung zu erhöhen. Hierdurch wird eine effizientere Wärmeübertragung an die Umgebung ermöglicht. Dieser verbesserte thermische Weg verringert den Temperaturanstieg in der Sperrschicht des elektronischen Geräts. Der folgende Beitrag soll als grundlegende Einführung in die Auswahl von Wärmeableitern dienen. Verwendet werden thermische Daten aus Ihrer Anwendung und Spezifikationen des Wärmeableiter-Anbieters.

Ist ein Wärmeableiter erforderlich?

Für den Rest dieses Beitrags gehen wir davon aus, dass eine Anwendung mit einem Transistor entwickelt wird, der in einem TO-220-Gehäuse untergebracht ist. Die Schalt- und Leitungsverluste des Transistors gleichen einer Verlustleistung von 2,78 W und die Umgebungs-Betriebstemperatur dieser Anwendung wird 50 °C voraussichtlich nicht übersteigen. Wird für diesen Transistor ein Wärmeableiter benötigt?

Abbildung der Vorder- und Seitenansicht eines typischen TO-220-Gehäuses mit Wärmeableiter
Abbildung der Vorder- und Seitenansicht eines typischen TO-220-Gehäuses mit Wärmeableiter

Der erste Schritt besteht darin, alle Wärmewiderstände zu erfassen und zu verstehen, die verhindern, dass die 2,78 W in die Umgebungsluft abgeführt werden. Wenn diese Watt nicht effizient abgegeben werden, steigt die Sperrschichttemperatur im TO-220-Gehäuse über die empfohlenen Betriebsbedingungen hinaus an (typischerweise 125 °C für Silizium).

Die meisten Transistorhersteller dokumentieren einen Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft, der durch das Symbol Rθ J-A dargestellt und in Einheiten von °C/W gemessen wird. Dieser Wert gibt an, wie sehr die Sperrschichttemperatur für jedes Watt der im Gerät verbrauchten Leistung über die Umgebungstemperatur des TO-220-Gehäuses hinaus ansteigt.

Wenn zum Beispiel der Transistorhersteller angibt, dass der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft 62 °C/W beträgt, bedeutet dies, dass die 2,78 W, die innerhalb des TO-220-Gehäuses abgeführt werden, die Sperrschichttemperatur um 172 °C über Umgebungstemperatur erhöhen werden (berechnet als 2,78 W x 62 °C/W). Im ungünstigsten Umgebungstemperaturfall von 50 °C für diese Anwendung erreicht die Sperrschichttemperatur 222 °C (berechnet als 50 °C + 172 °C). Dies übertrifft die Nenn-Silizium-Temperatur von 125 °C bei Weitem und wird den Transistor dauerhaft beschädigen. Daher ist ein Wärmeableiter erforderlich. Durch die Befestigung eines Wärmeableiters wird der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft deutlich reduziert. Als nächster Schritt ist festzustellen, wie gering der Weg des Wärmewiderstands für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb sein muss.

Feststellen der Wege des Wärmewiderstands

Beginnen Sie zu diesem Zweck mit dem größten zulässigen Temperaturanstieg. Wenn die maximale Umgebungstemperatur der Anwendung 50 °C beträgt und die Siliziumsperrschicht nicht mehr als 125 °C erreichen darf, beträgt der größte zulässige Temperaturanstieg 75 °C (berechnet als 125 °C - 50 °C).

Als Nächstes berechnen Sie den größten zulässigen Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebungsluft. Wenn der größte zulässige Temperaturanstieg 75 °C beträgt und die Watt, die im TO-220-Gehäuse abgeführt werden, 2,78 W betragen, wäre der größte zulässige Wärmewiderstand 27 °C/W (berechnet als 75 °C ÷ 2,78 W).

Zuletzt addieren wir alle Wege des Wärmewiderstands zwischen der Siliziumsperrschicht und der Umgebungsluft und sorgen dafür, dass die Summe unter dem größtmöglichen Wärmewiderstand liegt (in diesem Beispiel 27 °C/W).

Grafische Darstellung der Wärmewiderstände, die in einer typischen TO-220 Anwendung zwischen der Sperrschicht und der Umgebungsluft berechnet und addiert werden müssen
Grafische Darstellung der Wärmewiderstände, die in einer typischen TO-220 Anwendung zwischen der Sperrschicht und der Umgebungsluft berechnet und addiert werden müssen

Gemäß der obigen Abbildung befindet sich der erste benötigte Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse und wird durch das Symbol R θ J-C dargestellt. Dies ist ein Maß dafür, wie leicht Wärme von der Sperrschicht, an der die Wärme erzeugt wird, an die Oberfläche (Gehäuse) des Geräts (TO-220 in diesem Beispiel) übertragen werden kann. Die meisten Hersteller führen diesen Widerstand in ihrem Datenblatt neben der Sperrschicht-Umgebungsluft-Metrik auf. Bei diesem Beispiel beträgt der angenommene Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse 0,5 °C/W.

Der benötigte zweite Wärmewiderstand liegt zwischen Gehäuse und Wärmeableiter und wird mit dem Symbol R θ C-S dargestellt. Dies ist ein Maß dafür, wie leicht Wärme von der Oberfläche (Gehäuse) des Gerätes auf die Oberfläche des Wärmeableiters übertragen werden kann. Aufgrund der Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen des TO-220-Gehäuses und des Wärmeableitersockels empfiehlt es sich in der Regel, eine Wärmeleitpaste (TIM, Thermal Interface Material)) zwischen den beiden Flächen zu verwenden, um sicherzustellen, dass sie hinsichtlich einer Wärmeperspektive völlig miteinander verbunden sind. Hierdurch wird die Wärmeübertragung vom TO-220-Gehäuse auf den Wärmeableiter erheblich verbessert, doch damit ist ein Wärmewiderstand verbunden, der berücksichtigt werden muss.

Vergrößerte Oberfläche-zu-Oberfläche-Zeichnung, die die Notwendigkeit einer Wärmeleitpaste zeigt
Vergrößerte Oberfläche-zu-Oberfläche-Zeichnung, die die Notwendigkeit einer Wärmeleitpaste zeigt

Berechnung der Wärmeleitpasten

Wärmeleitpasten zeichnen sich typischerweise durch ihre Wärmeleitfähigkeit in Form von Watt pro Meter-Celsius (W/(m °C)) oder Watt pro Meter-Kelvin (W/(m K)) aus. Celsius und Kelvin sind in diesem Beispiel austauschbar, weil sie beide die gleiche Zuwachsrate der Temperaturmessung verwenden und hier der Anstieg/Abfall der Temperatur berechnet wird (z. B. entspricht ein Temperaturanstieg von 45 °C einem Temperaturanstieg von 45  K). Die Einheit Meter ist vorhanden, weil der Widerstand der Wärmeleitpaste vom Verhältnis der Dicke (Dicke des Wärmeleitpastenmaterials in Metern) zur Fläche (der Bereich in Metern, auf dem die Wärmeleitpaste verteilt ist2), 1/m ergibt (berechnet als m/m2 = 1/m). In diesem Beispiel wird eine dünne Schicht der Wärmeleitpaste auf den Metallstreifenbereich eines TO-220-Gehäuses verteilt. Es folgen die spezifischen Eigenschaften und Anwendungsdetails der Wärmeleitpaste, die in diesem Beispiel verwendet werden:

Wärmeleitfähigkeit („K“): 0,79 W/(m °C) = 0,79 W/(m K)

Anwendungsbereich der Wärmeleitpaste: 112 mm2 = 0,000112 m2

Anwendungsdicke der Wärmeleitpaste: 0,04 mm = 0,00004 m

Der Wärmewiderstand der Wärmeleitpaste kann aus den oben aufgeführten Eigenschaften unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden (beachten Sie die Verwendung von Metern wegen Einheitlichkeit der Einheiten):

Rθ C-S = (Dicke / Fläche) x (1 / Leitfähigkeit)

Rθ C-S = (0,00004 / 0,000112) x (1 / 0,79)

Rθ C-S = 0,45 °C/W oder 0,45 K/W

Auswahl eines Wärmeableiters

Der erforderliche letzte Wärmewiderstand liegt zwischen dem Wärmeableiter und der Umgebungsluft und wird mit dem Symbol R θ S-A gekennzeichnet. Dies ist ein Maß dafür, wie leicht Wärme vom Sockel des Wärmeableiters an die Umgebungsluft übertragen werden kann. Wärmeableiter-Anbieter wie CUI stellen in der Regel Diagramme wie das nachfolgende zur Verfügung oder geben Datenpunkte an, um zu veranschaulichen, wie leicht Wärme unter verschiedenen Luftströmungsbedingungen und Lasten vom Wärmeableiter an die Umgebungsluft übertragen werden kann.

Diagramm, das den typischen Wärmeableiter-Montageoberflächentemperaturanstieg in Vergleich zur Umgebung zeigt
Diagramm, das den typischen Wärmeableiter-Montageoberflächentemperaturanstieg in Vergleich zur Umgebung zeigt

Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Anwendung unter natürlichen Konvektionsbedingungen ohne Luftstrom arbeitet. Das obige Diagramm kann zur Berechnung des letzten Wärmewiderstands (Wärmeableiter an Umgebungsluft) für diesen speziellen Wärmeableiter verwendet werden. Der Oberflächentemperaturanstieg im Vergleich zur Umgebung dividiert durch die Wärmeableitung liefert einen Wärmewiderstand bei diesem spezifischen Betriebszustand. In diesem Beispiel beträgt die Wärmeableitung 2,78 W, was zu einem Oberflächentemperaturanstieg über die Umgebungstemperatur von 53 °C führt. Wenn man 53 °C durch 2,78 W dividiert, erhält man einen Wärmewiderstand von 19,1 °C/W zwischen Wärmeableiter und Umgebungsluft (berechnet als 53 °C ÷ 2,78 W).

In früheren Berechnungen betrug der maximal zulässige Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft 27 °C/W. Durch die Subtraktion des Widerstands zwischen Sperrschicht und Wärmeableiter (0,5 °C/W) und des Widerstands zwischen Gehäuse und Wärmeableiter (0,45 °C/W) beträgt die für den Wärmeableiter übrig gebliebene Höchstleistung 26,05 °C/W (berechnet als 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W). Der Wärmewiderstand von 19,1 °C/W für diesen Wärmeableiter unter den angenommenen Bedingungen liegt deutlich unter dem zuvor berechneten zugelassenen Wert von 26,05 °C/W. Dies führt zu einer kühleren Silizium-Sperrschichttemperatur innerhalb des TO-220-Gehäuses und einem größeren thermischen Bereich im Design. Die maximale Temperatur der Sperrschicht kann abgeschätzt werden, indem man alle Wärmewiderstände addiert, sie mit der Anzahl der in der Sperrschicht abgeleiteten Watt multipliziert und das Ergebnis zur maximalen Umgebungstemperatur hinzuaddiert:

Geschätzte Sperrschichttemp. = TUmgebung + Watt x (RθJ-C + Rθ C-S + Rθ S-A)

Geschätzte Sperrschichttemp. = 50 + 2,78 x ( 0,5 + 0,45 + 19,1)

Geschätzte Sperrschichttemp. = 105,7 °C

Die Wichtigkeit von Wärmeableitern

Wärmeableiter sind ein wichtiges Element der thermischen Verwaltung, wie in diesem Beispiel gezeigt wird. Ohne den Wärmeableiter hätte die Siliziumsperrschicht innerhalb des TO-220-Gehäuses den Grenzwert von 125 °C weit überschritten. Der Prozess, der in diesem Beispiel verwendet wird, kann leicht modifiziert und wiederholt werden, um den Entwicklern bei der Auswahl von ordnungsgemäß dimensionierten Wärmeableitern für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen behilflich zu sein.

Wichtigste Schlussfolgerungen

  • Wärmeableiter sind ein wichtiges Element im Schaltungsdesign, weil sie die Wärme auf effiziente Weise an die Umgebungsluft und von elektronischen Geräten weg übertragen.
  • Die Festlegung der maximalen Temperatur der Umgebung und der in der Anwendung verbrauchten Leistung trägt zur Optimierung der Wärmeableiterauswahl bei; nicht zu klein, um auszubrennen, und nicht zu groß, um Geld zu verschwenden.
  • Wärmeleitpasten spielen eine wichtige Rolle bei der effizienteren und einheitlicheren Wärmeübertragung zwischen zwei Flächen.
  • Sobald die Parameter der Anwendung definiert wurden (z. B. Umgebungstemperatur, Verlustleistung, Wege des Wärmewiderstands usw.), kann die parametrische Suchfunktion von CUI bei der Suche nach dem richtigen Wärmeableiter für den Job behilflich sein.

Hilfreiche Ressourcen

Für weitere Informationen über Wärmeableiter besuchen Sie bitte unseren Wärmeverwaltungsbereich


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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

Field Applications Engineering Manager

Als Elektrokonstrukteur besitzt Aaron Yarnell nahezu 15 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie, die eine breite Palette an Produkttechnologien umfasst, mit Kompetenzen in Produktdesign und -entwicklung bis hin zur Unterstützung für Feldanwendungen, Fertigung, technische Dokumentation und vieles mehr. Mit seinem MBA-Abschluss verfügt Aaron auch über ein tieferes Verständnis der Geschäftsaspekte, die mit jeder seiner Aufgaben verbunden sind. Zusätzlich zu seinen professionellen Auszeichnungen, genießt Aaron den Besuch der Oregon-Küste, verbringt Zeit mit seiner Familie und Freunden, verfolgt große Träume und arbeitet an Projekten, die Spaß machen.

 
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