Kühlmethoden in der Leistungselektronik
Konvektion oder Konduktion - Anwendungshinweise und Beispiele verschiedener Kühltechniken



Die Aufrechterhaltung eines optimalen Temperaturniveaus in einem Stromversorgungssystem hat für die Entwickler von Stromversorgungen höchste Priorität, um eine unvergleichliche Leistung und ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten. Die Thiele KG ist sich der Bedeutung einer effizienten Kühlung in Stromversorgungen bewusst und hat fortschrittliche Kühltechnologien entwickelt, um dieser Herausforderung gerecht zu werden. Das Wärmemanagement ist Teil des Designprozesses. In diesem Artikel werden zwei eingesetzte Kühlmethoden untersucht: Flüssigkeitskühlung und konduktive Kühlung.

Kühltechniken für Stromversorgungseinheiten

In einer industriellen Umgebung ist eine effiziente Kühlung erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Innentemperatur des Moduls den Sicherheitsgrenzwert nicht überschreitet; unter extremen Bedingungen ist jedoch die Zuverlässigkeit äußerst wichtig, um kein Ausfallrisiko einzugehen.

Unsere Produkte können mit verschiedenen Optionen für das Kühlsystem konfiguriert werden: Lüfter oder Lüfterredundanz, Konvektion, Konduktion und Flüssigkeitskühlung. Lassen Sie uns über die letzteren sprechen. Bei einigen Anwendungen muss eine effiziente Kühlung gewährleistet sein, so dass die Bedeutung der Konduktionskühlung und eines effizienten Wärmemanagements bei der Konstruktion eine zentrale Rolle spielt. Die Ingenieure der Leistungselektronik haben die Effizienz des Produkts verbessert.

Flüssigkühlung und Konduktionskühlung - ein dynamisches Duo

Das Flüssigkeitskühlsystem kombiniert Leitungskühlung mit einer Kühlplatte, um die von den Netzteilkomponenten erzeugte Wärme effektiv abzuleiten. Dieser hybride Ansatz maximiert die Kühleffizienz und trägt zur Aufrechterhaltung stabiler Betriebstemperaturen bei.

Bei der Entscheidung für eine geeignete Kühlmethode ist es wichtig, das Verhältnis zwischen Kühlplatte und Umgebungstemperaturen zu berücksichtigen. Durch Flüssigkeits- oder Konduktionskühlung entsteht im Inneren des Netzteils eine kalte Umgebung, die sich mit Sicherheit auf die Leistung und Lebensdauer bestimmter Komponenten auswirkt.

Während Leistungskomponenten hohen Temperaturen standhalten können, können andere empfindliche Komponenten wie analoge Schaltungen, digitale Schaltungen, Elektrolytkondensatoren und Optokoppler in Mitleidenschaft gezogen werden. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, die Flüssigkeitskühlung mit Zwangsluft zu kombinieren, wenn die externe Umgebungstemperatur niedriger ist als die des Flüssigkeitskühlsystems. Auf diese Weise wird die Innentemperatur effektiv gesenkt, wodurch sich die MTBF (Mean Time Between Failures) und die Gesamtlebensdauer des Produkts erhöhen.

Wie wird die Wärme zur Kühlplatte geleitet?

Um eine effiziente Wärmeübertragung auf die Kühlplatte zu gewährleisten, gibt es verschiedene Techniken:

Konduktionsgekühlte Leistungskomponenten
Premium-Netzteile verwenden, wann immer möglich, vorrangig leitungsgekühlte Leistungskomponenten. Diese speziellen Komponenten sind so konzipiert, dass sie eine effektive Wärmeübertragung ermöglichen und die Gesamtkühlleistung des Netzteils verbessern.

Entwicklungsüberlegungen zur Konduktionskühlung
Das Entwicklerteam bezieht die Prinzipien der Leitungskühlung in seine Projekte ein. Dazu gehört die Optimierung des Layouts und der Anordnung der induktiven Leistungskomponenten, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.

Verguss
Das Vergießen, eine Technik, bei der ein schützendes Harz aufgetragen wird, trägt zur Verbesserung der Wärmeleitung bei, indem Luftspalten minimiert werden und die für die Wärmeübertragung im Netzteil verfügbare Oberfläche vergrößert wird.

Spaltfüller
Unsere Netzteile verwenden hochwertige thermische Schnittstellenmaterialien, wie z. B. Spaltfüller, um eine effiziente Wärmeleitung von der Leiterplatte (PCB) zur Kühlplatte zu fördern. Diese Materialien überbrücken die Lücken und erleichtern die Wärmeübertragung, wodurch eine effektive Kühlung im gesamten Netzteil gewährleistet wird.

Thermische Analyse und Simulationen

Das Fouriersche Gesetz ist ein grundlegendes Prinzip in der Wärmephysik, das die Übertragung von Wärme durch ein Material beschreibt. Es besagt, dass die Wärmeübertragungsrate durch ein Material proportional zum negativen Temperaturgradienten und zur Fläche ist, über die die Wärme übertragen wird. Dieses Gesetz ist von großer Bedeutung für die thermische Effizienz in verschiedenen Anwendungen, einschließlich der Leistungselektronik. Hier sind einige Gründe, warum das Fouriersche Gesetz so wichtig ist:

Verstehen der Wärmeübertragung
Das Fouriersche Gesetz bietet einen mathematischen Rahmen, um zu verstehen, wie sich Wärme von einem Bereich mit höherer Temperatur zu einem Bereich mit niedrigerer Temperatur bewegt. Es hilft Ingenieuren und Konstrukteuren, das Verhalten der Wärmeübertragung in verschiedenen Materialien und Systemen zu analysieren und vorherzusagen.

Wärmemanagement
In der Leistungselektronik ist ein effizientes Wärmemanagement entscheidend, um die Komponenten innerhalb sicherer Betriebstemperaturen zu halten. Das Fouriersche Gesetz hilft bei der Bestimmung der Wärmeableitungsrate und bei der Entwicklung von Kühlsystemen, die überschüssige Wärme von empfindlichen Komponenten effektiv ableiten können.

Optimierung von Kühllösungen
Wenn Ingenieure das Fouriersche Gesetz verstehen, können sie die Konstruktion von Kühlsystemen optimieren, um die thermische Effizienz zu verbessern. Sie können Faktoren wie Oberfläche, Materialleitfähigkeit und Temperaturgradienten analysieren, um die effektivsten Kühlmethoden wie Konvektion, Leitung oder Flüssigkeitskühlung zu bestimmen.

Zuverlässigkeit von Bauteilen
Übermäßige Hitze kann zu einer beschleunigten Alterung und Verschlechterung elektronischer Komponenten führen, was ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer verringert. Das Fouriersche Gesetz hilft bei der Bewertung von Temperaturverteilungen und der Entwicklung von Kühllösungen, die Hotspots minimieren und gleichmäßige Temperaturen aufrechterhalten, wodurch die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von leistungselektronischen Systemen verbessert wird.

Energie-Effizienz
Ein effizientes Wärmemanagement auf der Grundlage des Fourier-Gesetzes kann zu Energieeinsparungen beitragen. Durch effektive Wärmeableitung und Vermeidung von Überhitzung können leistungselektronische Systeme effizienter arbeiten.

Diese Punkte sind in der Gleichung berücksichtigt. Sie sind wichtig, weil wir wissen, dass die übertragene Gesamtwärme immer von der Leitfähigkeit des Materials, dem Temperaturgefälle und auch von den Kontaktflächen abhängt. Aus diesem Grund haben Kühlkörper Rippen, um die Oberfläche zu vergrößern.

 

Wir verfügen über ein engagiertes Team, welches mit den notwendigen Werkzeugen und Fachkenntnissen zur Optimierung thermischer Designs ausgestattet ist. Mit Hilfe fortschrittlicher Software wie FloEFD, die nahtlos in die mechanische 3D-Konstruktionssoftware Solid Edge von SIEMENS integriert ist, führen Entwicklungsteams genaue und effiziente Strömungs- und Wärmeübertragungssimulationen durch. Diese Simulationen ermöglichen es potenzielle thermische Herausforderungen zu identifizieren und effektive Kühllösungen für jedes Projekt zu entwickeln.

 

Um die Wärmeleitfähigkeit besser zu verstehen, hier einige Beispiele:

Diamant: 1000 W/mK
Aluminium: 237 W m-1 K-1
Glasfaser (0,04 W/mK): Isolierendes Material


Andererseits gibt der Temperaturgradient die Wärmedifferenz zwischen kritischen Bauteilen (Transistoren, Transformatoren, Induktoren usw.) und der Umgebungstemperatur an. effizient, reduziert den Energieverbrauch und minimiert den Abfall.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Fouriersche Gesetz für die thermische Effizienz wichtig ist, da es Ingenieuren ermöglicht, Wärmeübertragungsprozesse zu verstehen und zu optimieren, effektive Kühllösungen zu entwerfen, die Zuverlässigkeit von Komponenten zu erhöhen und die Energieeffizienz in der Leistungselektronik und anderen Anwendungen zu verbessern.

Unser Engagement für innovative Kühllösungen durch die Kombination von Flüssigkeitskühlung und Konduktionskühlung und den Einsatz von Techniken wie konduktionsgekühlten Leistungskomponenten, Verguss und Spaltfüllern gewährleistet eine effiziente Wärmeableitung und verlängert die Lebensdauer ihrer Produkte. Mit seinem engagierten Forschungs- und Entwicklungsteam, das über fortschrittliche thermische Analyse- und Simulationstools verfügt, liefert Thiele Hochleistungsnetzteile, die den anspruchsvollen Kühlungsanforderungen der Leistungselektronik gerecht werden.

Einsatz fortschrittlicher Software wie FloEFD, die nahtlos in die mechanische 3D-Konstruktionssoftware Solid Edge von SIEMENS integriert ist
FloEFD in der 3D-Konstruktion
Das Fouriersche Gesetz ist ein grundlegendes Prinzip der Wärmephysik, das die Übertragung von Wärme durch ein Material beschreibt.
Grundlegendes Prinzip des Fouriersche Gesetzes

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