Hallo,
im Wiki-Artikel IGBT http://www.mikrocontroller.net/articles/IGBT gibt's
grad ein Hin und Her zwischen den RTh Werten von Kühlkörper und
Wärmeleitfolie. Und ich möchte es lieber hier diskutieren, als in der
Diskussionsseite des Wikiartikels, oder gar im Änderungslog.
Die bisherigen (beispielshaften) Werte von 2K/W eines Kühlkörpers und
0.2K/W einer Wärmeleitfolie wurden vertauscht.
Ich bin jedoch der Ansicht, dass in einem Aufbau der thermische
Widerstand der Wärmeleitfolie deutlich geringer ist, als der des
Kühlkörpers.
Beide Beispiele bei Raumtemperatur 20 Grad:
A)
Rth KK: 2K/W, Folie: 0.2K/W
Temperatur des Halbleiters: 130Grad. Temperatur auf der
gegenüberliegenden Seite der Wärmeleitfolie, also Oberfläche Kühlkörper:
120Grad.
B)
Rth KK: 0.2K/W, Folie: 2K/W
Temperatur des Halbleiters: 130Grad. Temperatur auf der
gegenüberliegenden Seite der Wärmeleitfolie, also Oberfläche Kühlkörper:
30Grad.
Was sind denn Werte aus der Praxis?
Thermimox schrieb:> Wenn ich mir die 2 Datenblätter anschaue und beide auf 10x10cm> "normiere",
Ist unrealistisch.
Ein Kühlkörper von (100x160x40)mm^3 ist zwar ein ganz schöner
Klotz, aber noch machbar. Kühlkörper bis ungefähr 0.3K/W
sind handelsüblich; als mittleren Wert für ein Rechenbeispiel
würde ich 2K/W gelten lassen.
Die Kontaktfläche eines TO220 oder TO264 ist aber halt so,
wie sie ist. Das sind 2...3 cm^2, wenn es gut kommt. 1K/W
halte ich für deutlich zu optimistisch. Glimmer kommt ganz
gut weg, aber die Datenblatt-Werte für die Wärmeleitfolien
finde ich gräuslich bis katastrophal. Bin selber überrascht.
Grobe Überschlagsrechnung für die Fischer-Folie von Reichelt
liefert ungefähr 4K/W (für 1cm^2, also ungefähr TO220).
Possetitjel schrieb:> die Datenblatt-Werte für die Wärmeleitfolien> finde ich gräuslich bis katastrophal
Was erwartest Du ?
http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitung
Schau Dir mal 'Elektrisch leitfähige Festkörper'
und 'Dielektrische Festkörper' an.
Ein elektrischer Isolator ohne frei bewegliche Elektronen, ohne
Metallgitterbindung kann nur die Unebenheiten überbrücken und damit
besser als Luft sein.
Warum glaubst Du werden so große Klimmzüge unternommen um mit komplexen
Kühlsystemen und Bauteilanbindungen die Wärme wegzubekommen ?
Hallo,
ja, ich gebe zu, die 0,2K/W vom Kühlkörper ist schon ein recht guter
Wert. Ich komme aus einem Bereich, in dem auch mehrere kW kein Problem
sind. Unabhängig davon sind 0,2k/W schon mit einem "kleinen" Kühlkanal
mit Luft-Zwangskühlung erreichbar,
[http://de.rs-online.com/web/p/kuhlkorper/6920663/].
Als nächstes such bitte mal nach elektrisch isolierenden Folien (nein,
nicht die mit Kohlenstoff Nanopartikel, die sind VIEL zu teuer und
besitzen keine elektrische Isolationsfähigkeit) mit einer "1" vor dem
Komma - immer bezogen auf einen TO220.
Wenn Du bereit bist Geld auszugeben, dann findest Du unter Anderem
1,2..1,4K/W - laut Datenblatt - und wenn man das dann Aufbaut, mißt und
nachrechnet, sind es ca 1,7..2,0 K/W. Auch hier wiederum aufpassen, denn
der Wert sollte kein "Zufallserfolg" sein, sondern reproduzierbar.
Warum gibts die Unterschiede von "Datenblatt" zu "Realität"?
1. Der Wärmeübergang von Gehäuseboden IN die Folie und von Folie IN den
Kühlköfper ist nicht Bestandteil des Datenblattwertes, und sowohl von
der Oberfläche des Kühlkörpers, als auch von Struktur und Beschaffenheit
der Folienoberfläche abhängig.
2. Oft werden Angaben mit Gehäuseformen bzw. der Fläche eines Bauteiles
(z.B. TO220 = ca 1,6cm) gemacht, aber die WIRKSAME Gehäusefläche eines
TO220 ist im Bereich von ca 1cm² siehe
[Beitrag "Re: Suche Schaltplan Labornetzteil Conrad NG-302"]. Die
Kunststoffpressmasse hat eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit
und kann gegenüber Kupfer fast ignoriert werden.
Fazit:
- Wenn Du eine gute Isolierfolie Dein Eigen nennst, dann kannst Du die
2k/W schaffen. Wenn Du es nicht glaubst, bitte miß nach... ich habs
gemacht.
- Den Wert kann man jedoch nicht einfach mit der des Kühlkörpers
tauschen... außerdem fliegt dann die gesamte Berechnungskette DES
BEISPIELS nicht mehr, da die Bauteiletemperatur dann zu hoch wird.
Eine handeluebliche Kaptonfolie (77um) fuer einen TO247, TO218, TO248
(21 x 24mm) ist mit ca 0.2 K/W spezifiziert.
Man muss ja keinen gepressten Muell verwenden .. :-)
Jetzt Nicht schrieb:> Eine handeluebliche Kaptonfolie (77um) fuer einen TO247, TO218, TO248> (21 x 24mm) ist mit ca 0.2 K/W spezifiziert.
hast Du nen Link auf ein konkretes Datenblatt?
Wie sieht es da dann mit der Isolation aus? Es geht hier um den
IGBT-Artikel, das impliziert mindestens ein paar Hundert Volt.
Michael Knölke schrieb:> Possetitjel schrieb:>> die Datenblatt-Werte für die Wärmeleitfolien>> finde ich gräuslich bis katastrophal>> Was erwartest Du ?
Ich habe nichts spezielles erwartet. Ich war einfach nur
überrascht. Passiert Dir das nie?
@ Autor: Gerd E. (robberknight)
>> Jetzt Nicht schrieb:>> Eine handeluebliche Kaptonfolie (77um) fuer einen TO247, TO218, TO248>> (21 x 24mm) ist mit ca 0.2 K/W spezifiziert.>hast Du nen Link auf ein konkretes Datenblatt?>>Wie sieht es da dann mit der Isolation aus? Es geht hier>um den IGBT-Artikel, das impliziert mindestens ein paar>Hundert Volt.
Aeh. Ja. Die Folie macht 7kV oder so. Datenblatt siehe :
http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/E01.05/Kapton%20Isolierscheiben/PR/KAP218_/index.xhtml
Dann einfach die spezifizierten 0.15K/W von 1 quadratzoll auf die
effektive Flaeche runterskalieren.
Thermimox schrieb:> Bedeutet das dann für die Praxis, dass bei einer Wärmeleitfolie mit 2K/W> ein Kühlkörper mit 10mal besserem Rth eigentlich überdimensioniert ist?
Du hast das Prinzip nicht verstanden.
Jetzt Nicht schrieb:> Eine handeluebliche Kaptonfolie (77um) fuer einen TO247, TO218, TO248> (21 x 24mm) ist mit ca 0.2 K/W spezifiziert.
Ja, ist schon richtig, aber warum nimmt dann nicht jeder Kapton Folie?
(auf einen TO220 umgerechnet sind das übrigens auch wieder ca. 1k/W...
für die Folie...)
@Thermimox:
Jeder Wärmeübergangswiderstand = R_th sorgt für eine entsprechende
Temperaturerhöhung.
Da jedes Bauteil eine zulässige Maximaltemperatur hat, und auch die von
Dir gewünschte Lebensdauer der Bauteile direkt von der Temperatur
abhängt, muß Du eine "Gesamtlösung" wählen, die zu Deiner
Problemstellung paßt.
Wenn für Dein Problem die zulässige Bauteiletemperatur d.h. hier die
Junction Temperatur 150°C betragen darf, dann wäre in meinem Beispiel
auch 1K/W ausreichend gewesen... aber das Beispiel an sich ist nicht
falsch.
In diesem speziellen Fall wäre dann der Kühlkörper überdimensioniert.
>Du hast das Prinzip nicht verstanden.
Kann sein. Dann erklär mal!
Beispiel: 25Watt. 20°C Raumtemperatur.
Kühlkörper hat bei 0.2K/W dann 25°C
IGBT hat bei der 2K/W Folie dann 75°C
Nehme ich jetzt einen halb so großen KK, wäre der IGBT 80°C heiß. Also
nur 5K mehr. Kaufe ich mir einen sehr sehr großen mit Lüfter, dann kann
ich die Temperatur auf 70°C senken. Mehr aber nicht.
>Was sind denn Werte aus der Praxis?
Völlig unterschiedlich, weil extrem abhängig von der Dicke des
Isolierplättchens bzw. der Isolierfolie. Dickere Wärmeleitfolien aus
Kunststoff leiten erschreckend schlecht. Da ist die Bezeichnung schon
fast Betrug.
Wenn große Isolierabstände gefordert sind, würde ich Al2O3 nehmen. Ein
TO220 mit 1,5mm Dicke bringt es immerhin auf 0,3K/W.
Kai Klaas schrieb:> Wenn große Isolierabstände gefordert sind, würde ich Al2O3 nehmen. Ein> TO220 mit 1,5mm Dicke bringt es immerhin auf 0,3K/W.
Stimmt, DAS ist wirklich ein guter Wert für den Durchgangswiderstand.
Und welchen Wert erreichst Du mit Wärmeleitpaste zwischen TO220 und
Al2O3 und Wärmeleitpaste zwischen Al2O3 und Kühlkörper?
>Und welchen Wert erreichst Du mit Wärmeleitpaste zwischen TO220 und>Al2O3 und Wärmeleitpaste zwischen Al2O3 und Kühlkörper?
Wenn die Wärmleitpaste richtig eingesetzt wird, also extrem dünn, sodaß
nur die Gaps gefüllt werden, erhöht sich der Wert nicht nenneswert. Wenn
aber ein Anfänger Wärmeleitpaste dick wie Butter auf einem Brot
aufträgt, ist der gute Wert natürlich futsch! Wärmeleitpaste leitet
überhaupt nicht gut, aber natürlich besser als Luft. Deswegen darf man
Wärmeleitpaste immer nur extrem sparsam auftragen und muß danach das
Bauteil vorsichtig bis zum "Anschlag" andrücken.
Ja, im Prinzip stimme ich Dir zu... die Realität zeigt halt doch einen
Einfluß durch die Pampe, denn reproduzierbar dünnes aufbringen ist nur
mit großem Aufwand möglich. Eigentlich sollte man nur die Unebenheiten
füllen, und den direkten Materialkontakt nicht verhindern. Schau Dir mal
an wie Infineon das mit seinen Modulen vorschlägt.
Unabhängig davon beforzuge ich Folien, denn so unschöne Themen wie
"Pumpeffekt" und "Austrocknung" mit Paste tritt bei den Folien nicht
auf.
Naja, von wenig kommt wenig. Wenn ich sicheren Waermekontakt haben will,
nehm ich eine Aluplatte, groesser wie der Transistor, 4mm 3 Loecher
durch und druecke das Sandwich bestehend aus Kuehlkoerper,
Waermepastenfilm, Folie, Waermepastenfilm, Transistor mit 3 M3 Schrauben
satt zusammen. Wegen der weggedrueckten Waermepaste muss man noch einmal
nachziehen.
Thermimox schrieb:> Kann sein. Dann erklär mal!
Du mußt mit Wärmewiderständen Rechnen.
Die Wärmewiderstande addieren sich.
Nehmen wir an, Du hast ausgerechnet, daß ein Wärmewiderstand von 5K/W
ausreicht um Die Wärme Von der Sperrschicht zur Umgebungsluft zu
Transportieren.
Wenn der Wärmewiderstand Sperrschicht-Gehäuse 1K/W und der
Wärmewiderstand der Isolation 1K/W beträgt, dann hast Du für den
Kühlkörper noch 3K/W übrig.
Wenn Du jetzt mehr Leisung verbraten mußt und du auf einen
Wärmewiderstand von 3K/W (Sperrschicht-Umgebungsluft) kommst, hast Du
nur noch 2K/W für den Kühlkörper ubrig.
>Ja, im Prinzip stimme ich Dir zu... die Realität zeigt halt doch einen>Einfluß durch die Pampe, denn reproduzierbar dünnes aufbringen ist nur>mit großem Aufwand möglich.
Also, bei mir war das noch nie jetzt das ganz große Problem. Man muß
einfach die Wärmeleitpaste dünn auftragen und das Bauteil vollständig
andrücken, bis alle überflüssige Wärmeleitpaste vollständig
herausgedrückt wurde. Die verbleibende Wärmeleitpaste ist dann so dünn,
daß ihr Wärmewiderstand praktisch keine Rolle mehr spielt.
