So berechnen Sie die Kühlkörpergröße für Ihre Anwendung
Um die Größe eines Kühlkörpers zu berechnen, müssen Sie zunächst den gesamten Wärmewiderstand ermitteln, der zwischen der Bauteil-Sperrschicht und der Umgebungsluft erforderlich ist. Teilen Sie dann den maximal zulässigen Temperaturanstieg durch die Verlustleistung. Diese Berechnung ergibt einen erforderlichen Wärmewiderstandswert (in °C/W), den Sie mit der Leistungskurve oder dem Datenblatt eines Kühlkörpers abgleichen. Für einen 10-W-Prozessor mit einem zulässigen Temperaturanstieg von 50 °C über der Umgebungstemperatur benötigen Sie einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 5,0 °C/W oder weniger, was typischerweise einem stranggepressten Aluminiumprofil von etwa 75 mm x 75 mm x 25 mm mit natürlicher Konvektion entspricht.
Wie lautet die Grundformel für die Kühlkörperdimensionierung?
Die maßgebliche Gleichung ist eine einfache thermische Schaltkreis-Analogie: Tj = Ta + (P x Rth), wobei Tj die Sperrschichttemperatur, Ta die Umgebungstemperatur, P die Verlustleistung in Watt und Rth der gesamte Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung ist. Um den maximal zulässigen Gesamtwärmewiderstand zu ermitteln, stellen Sie die Formel um zu Rth(max) = (Tj(max) - Ta) / P. Dieser Gesamtwiderstand ist die Summe aus drei in Reihe geschalteten Widerständen: Sperrschicht-Gehäuse (Rth-jc), Gehäuse-Kühlkörper (Rth-cs) und Kühlkörper-Umgebung (Rth-sa). Für die meisten Berechnungen lösen Sie nach Rth-sa auf, dem eigenen Wärmewiderstand des Kühlkörpers, der der einzige Wert ist, den Sie über Geometrie und Material steuern können.
Als praktisches Beispiel betrachten wir einen MOSFET, der 15 W Wärme erzeugt, mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150 °C und einer Umgebungstemperatur von 50 °C. Der zulässige Temperaturanstieg beträgt 100 °C, was einen Gesamt-Rth von 6,67 °C/W ergibt. Wenn der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse 0,5 °C/W beträgt und die Schnittstelle zwischen Gehäuse und Kühlkörper (mit Wärmeleitpaste) 0,2 °C/W, beträgt der erforderliche Wärmewiderstand von Kühlkörper zur Umgebung 5,97 °C/W. Sie würden dann einen Kühlkörper mit einem Datenblattwert von 6,0 °C/W oder weniger unter Ihren spezifischen Luftströmungsbedingungen auswählen.
Wie rechnet man den Wärmewiderstand in physische Abmessungen um?
Für natürliche Konvektion mit stranggepressten Aluminiumkühlkörpern gilt die Faustregel, dass ein Wärmewiderstand von 1 °C/W etwa 100 bis 150 Quadratzentimeter Oberfläche erfordert. Bei erzwungener Konvektion mit einem Luftstrom von 2 m/s sinkt die erforderliche Oberfläche auf etwa 40 bis 60 Quadratzentimeter pro 1 °C/W. Aus diesen Flächenzielen können Sie Länge, Breite und Rippenhöhe ableiten. Ein Kühlkörper für natürliche Konvektion mit 5 °C/W benötigt beispielsweise etwa 500 bis 750 cm² gesamte benetzte Oberfläche, was mit einer 100 mm x 100 mm Grundplatte und 12 Rippen von 20 mm Höhe erreicht werden kann.
Strangpressprofile haben typischerweise Rippenhöhen zwischen 10 mm und 40 mm, Rippendicken zwischen 1,5 mm und 3,0 mm und einen Rippenabstand (Mittenabstand) zwischen 5 mm und 10 mm. Für natürliche Konvektion wird ein größerer Rippenabstand von 7 bis 10 mm bevorzugt, um die Beeinträchtigung der Grenzschicht zu reduzieren. Bei erzwungener Konvektion erhöht ein engerer Abstand von 4 bis 6 mm die Oberfläche pro Volumeneinheit. Die Dicke der Grundplatte sollte mindestens 5 mm betragen, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten, wobei 8 bis 10 mm für Wärmequellen mit einem Durchmesser von mehr als 25 mm empfohlen werden.
Warum sind Umgebungstemperatur und Höhenlage bei der Berechnung wichtig?
Die Umgebungstemperatur reduziert direkt die verfügbare Temperaturdifferenz zwischen der Kühlkörperoberfläche und der umgebenden Luft, die die treibende Kraft für die Wärmeabfuhr ist. Wenn Ihre Umgebungstemperatur 70 °C statt 25 °C beträgt, sinkt der zulässige Temperaturanstieg für eine Sperrschichtgrenze von 125 °C von 100 °C auf 55 °C, was bedeutet, dass Sie für die gleiche Leistung etwa die doppelte Oberfläche benötigen. In größeren Höhen nimmt die Luftdichte ab, wodurch der konvektive Wärmeübergangskoeffizient um etwa 2 bis 3 Prozent pro 300 Meter Höhengewinn reduziert wird. In 3000 Metern Höhe benötigen Sie möglicherweise 20 bis 30 Prozent mehr Oberfläche als auf Meereshöhe für die gleiche Leistung.
Bei natürlicher Konvektion liegt der Wärmeübergangskoeffizient typischerweise zwischen 5 und 15 W/(m²·K), abhängig von Ausrichtung und Rippengeometrie. Bei erzwungener Konvektion reicht der Koeffizient von 20 bis 100 W/(m²·K), abhängig von der Luftgeschwindigkeit. Die meisten thermischen Simulationen und Datenblattwerte gehen von Bedingungen auf Meereshöhe mit Luft bei 20 bis 25 °C aus. Reduzieren Sie die Kühlkörperleistung immer um 10 Prozent für jede 15 °C über 25 °C Umgebungstemperatur und um 10 Prozent für jede 1000 Meter über dem Meeresspiegel.
Welches Material sollten Sie für Ihren Kühlkörper wählen?
Aluminium 6063-T5 ist der Industriestandard für stranggepresste Kühlkörper und bietet eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 W/(m·K) zu Kosten von 3 bis 6 USD pro Kilogramm. Kupfer bietet 385 W/(m·K), kostet aber 8 bis 15 USD pro Kilogramm und wiegt 3,3-mal mehr, weshalb es typischerweise nur bei extrem begrenztem Platz verwendet wird. Aluminium 6061-T6 ist etwas fester, hat aber die gleiche Wärmeleitfähigkeit, während Aluminium-Druckguss ADC12 eine geringere Leitfähigkeit von etwa 96 W/(m·K) aufgrund von Porosität und Legierungsanteilen aufweist, was es trotz geringerer Werkzeugkosten weniger effizient macht.
Für Anwendungen mit hohem Volumen liegen die Werkzeugkosten für Aluminiumstrangpressen zwischen 800 und 3000 USD pro Profil, mit Lieferzeiten von 2 bis 4 Wochen. Druckguss-Kühlkörper erfordern Werkzeuge von 10.000 bis 50.000 USD, bieten aber komplexere Formen. Gestanzte Aluminiumrippen-Baugruppen, die in der BQUQ-Produktionslinie üblich sind, bieten eine thermische Leistung innerhalb von 10 bis 15 Prozent von massiven Strangpressprofilen zu geringeren Stückkosten bei Volumina über 10.000 Stück pro Jahr. Geschabte Kupferkühlkörper bieten eine Leitfähigkeit nahe reinem Kupfer von 380 W/(m·K), kosten aber 30 bis 50 Prozent mehr als stranggepresstes Aluminium.
Wie viel Oberfläche benötigen Sie für eine gegebene Verlustleistung?
Die folgende Tabelle liefert empirische Oberflächenanforderungen für Aluminiumkühlkörper mit natürlicher Konvektion auf Meereshöhe bei einem Temperaturanstieg von 30 °C über der Umgebungstemperatur. Diese Werte gehen von einer schwarz eloxierten Oberfläche aus, die den Emissionsgrad von 0,1 (blankes Aluminium) auf 0,9 verbessert und die Wärmeabstrahlung um 20 bis 30 Prozent erhöht.
| Verlustleistung (W) | Erforderliche Oberfläche (cm²) | Typische Kühlkörpergröße (mm) | Geschätzter Rth-sa (°C/W) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6,0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5,0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4,0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3,0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2,5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1,8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1,2 |
Bei erzwungener Konvektion mit 2 m/s Luftstrom teilen Sie die erforderliche Oberfläche durch 2,5 bis 3,0. Bei 5 m/s Luftstrom teilen Sie durch 4,0 bis 5,0. Diese Multiplikatoren gehen davon aus, dass der Luftstrom entlang der Rippenkanäle mit minimaler Blockierung gerichtet ist. Wenn Ihre Anwendung einen eingeschränkten Luftstrom hat oder der Kühlkörper in einem Gehäuse eingeschlossen ist, erhöhen Sie die Oberfläche um 50 Prozent.
Wie berücksichtigt man Kontaktwiderstand und Wärmeleitmaterialien?
Die Schnittstelle zwischen der Wärmequelle und der Kühlkörperbasis trägt 0,1 bis 1,0 °C/W bei, abhängig von Oberflächenebenheit, Druck und dem verwendeten Wärmeleitmaterial (TIM). Eine 0,1 mm dicke Schicht Wärmeleitpaste mit einer Leitfähigkeit von 1,5 W/(m·K) auf einem 25 mm x 25 mm Chip ergibt etwa 0,1 °C/W. Phasenwechselmaterialien und Wärmeleitpads reichen von 1,0 bis 5,0 W/(m·K), fügen aber aufgrund ihrer Dicke 0,2 bis 0,5 °C/W hinzu. Für beste Leistung verwenden Sie eine 25 µm bis 50 µm dicke Schicht Wärmeleitpaste, die gleichmäßig aufgetragen wird, mit einem Anpressdruck von 10 bis 30 psi.
Die Oberflächenebenheit der Kühlkörperbasis sollte 0,05 mm oder besser für optimalen Kontakt betragen. BQUQ bearbeitet Kühlkörperbasen mit einer Ebenheitstoleranz von 0,02 mm über 100 mm Länge, um einen minimalen Grenzflächenwiderstand zu gewährleisten. Wenn Sie mehrere Wärmequellen auf einem Kühlkörper montieren müssen, verteilen Sie diese mindestens 10 mm voneinander und verwenden Sie eine Basisdicke von mindestens 8 mm, um thermische Kopplung zu vermeiden. Für Hochleistungs-IGBT-Module erwägen Sie Dampfkammer- oder Heatpipe-Kühlkörper, die den Spreizwiderstand im Vergleich zu massivem Aluminium um 50 Prozent reduzieren können.
Wann sollten Sie aktive Kühlung anstelle eines größeren Kühlkörpers in Betracht ziehen?
Wenn Ihr erforderlicher Rth-sa unter 1,0 °C/W liegt und das Kühlkörpervolumen 500 cm³ überschreitet, ist erzwungene Konvektion mit einem Lüfter in der Regel kostengünstiger als ein passiver Kühlkörper. Ein 40 mm x 40 mm Lüfter, der 10 m³/h Luftstrom bei 3000 U/min liefert, kann die erforderliche Oberfläche um 60 Prozent reduzieren und das Kühlkörpervolumen von 500 cm³ auf 200 cm³ senken. Lüfter fügen 1 bis 5 W Stromverbrauch hinzu und haben eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen von 30.000 bis 70.000 Stunden, was für Industrieanlagen akzeptabel sein kann, aber nicht für versiegelte Unterhaltungselektronik.
Für Leistungsdichten über 50 W/cm² an der Wärmequelle erwägen Sie Flüssigkeitskühlung, die 0,05 bis 0,2 °C/W mit einer Kaltplatte und einem Radiator erreicht. Heatpipes sind effektiv, um Wärme von einer begrenzten Quelle zu einem entfernten Rippenstapel zu transportieren, mit einer typischen Kapazität von 50 bis 100 W pro Rohr. Das Entscheidungskriterium ist einfach: Wenn das für passive Kühlung erforderliche Kühlkörpervolumen 1 Liter überschreitet oder das Gewicht 2 Kilogramm übersteigt, reduzieren aktive Kühlung oder Heatpipes die Gesamtsystemkosten und den Platzbedarf.
Was sind die praktischen Schritte zur Validierung Ihrer Kühlkörpergröße?
Berechnen Sie zunächst den erforderlichen Rth-sa mit der Formel aus Abschnitt 1, einschließlich aller Grenzflächenwiderstände. Zweitens schätzen Sie die Oberfläche mit der Tabelle in Abschnitt 4 und wählen Sie dann ein Standard-Strangpressprofil aus, das mindestens diese Fläche bietet. Drittens messen Sie den tatsächlichen Wärmewiderstand mit einem Thermoelement an der Wärmequelle und einem zweiten Thermoelement in der Umgebungsluft bei bekannter Last. Viertens korrigieren Sie die Ausrichtung: Horizontale Rippen schneiden bei natürlicher Konvektion 10 bis 15 Prozent schlechter ab als vertikale Rippen, da der Kamineffekt reduziert ist.
Verwenden Sie ein CFD-Simulationstool oder empirische Tests, um die Rippeneffizienz zu verifizieren, die typischerweise zwischen 70 und 90 Prozent für Aluminiumrippen liegt. Wenn Ihr gemessener Temperaturanstieg den berechneten Wert um mehr als 15 Prozent überschreitet, prüfen Sie auf schlechten Kontakt, unzureichenden Anpressdruck oder blockierten Luftstrom. Für die Produktionsvalidierung empfiehlt BQUQ einen Temperaturwechseltest mit 1000 Zyklen von -40 °C bis 125 °C, um sicherzustellen, dass das TIM nicht herausgepumpt wird und sich der Kühlkörper nicht verzieht.
FAQ
Was ist ein angemessener Wärmewiderstand für einen kleinen Kühlkörper?
Ein 50 mm x 50 mm x 10 mm Aluminiumkühlkörper mit natürlicher Konvektion bietet etwa 8 bis 10 °C/W. Zum Vergleich: Ein 100 mm x 100 mm x 25 mm Kühlkörper bietet 3 bis 4 °C/W, und ein 200 mm x 200 mm x 40 mm Kühlkörper bietet 1,2 bis 1,8 °C/W.
Wie verbessert Eloxieren die Kühlkörperleistung?
Schwarzeloxieren erhöht den Oberflächenemissionsgrad von 0,1 auf 0,9, was die Wärmeabstrahlung bei natürlicher Konvektion um 20 bis 30 Prozent verbessert. Die Eloxalschicht ist elektrisch isolierend und korrosionsbeständig und fügt bei einer Dicke von 10 bis 25 µm keinen messbaren Wärmewiderstand hinzu.
Kann ich einen Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste verwenden?
Sie können, aber der Grenzflächenwiderstand steigt von 0,1 °C/W auf 0,5 bis 1,0 °C/W aufgrund von Luftspalten, die nur eine Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/(m·K) haben. Dies kann die effektive Kühlkörperleistung um 30 bis 50 Prozent reduzieren, daher werden Wärmeleitpaste oder ein Pad dringend empfohlen.
Was ist die maximale Rippenhöhe für einen stranggepressten Kühlkörper?
Standard-Aluminiumstrangpressungen können Rippenhöhen bis zu 75 mm mit einer Rippendicke von 1,5 mm und einem Höhen-Breiten-Verhältnis von 1:50 erreichen. Für höhere Rippen über 75 mm verwenden Sie Schaben, Bonden oder gelötete Rippenbaugruppen, die Höhen von 150 mm erreichen können.
Wie berechne ich die Kühlkörpergröße für gepulste Lasten?
Für gepulste Lasten mitteln Sie die Leistung über die thermische Zeitkonstante des Kühlkörpers, die typischerweise 1 bis 5 Minuten für Aluminiumstrangpressungen beträgt. Wenn die Pulsdauer unter 10 Sekunden liegt, nutzen Sie die Wärmekapazität des Kühlkörpers, um den Energiespitzenwert aufzunehmen, ohne die Sperrschichttemperatur zu überschreiten.
Welche Luftströmungsrate wird für einen Kühlkörper mit erzwungener Konvektion benötigt?
Eine Mindestluftströmung von 1 bis 2 m/s über die Rippenkanäle ist erforderlich, um eine 2,5-fache Verbesserung gegenüber natürlicher Konvektion zu erreichen. Für einen 100 mm x 100 mm Kühlkörper entspricht dies 0,6 bis 1,2 m³/min Luftstrom von einem Lüfter.
Wie viel kostet ein kundenspezifischer Kühlkörper?
Ein stranggepresster Aluminiumkühlkörper mit kundenspezifischem Werkzeug kostet 800 bis 3000 USD für das Werkzeug plus 3 bis 6 USD pro Kilogramm für das Material. Die Bearbeitung fügt 10 bis 50 USD pro Stück hinzu, abhängig von den Merkmalen, und Eloxieren fügt 1 bis 3 USD pro Quadratmeter hinzu.
Das Ingenieurteam von BQUQ kann die genaue Kühlkörpergröße für Ihre Anwendung innerhalb von 12 Stunden berechnen. Senden Sie Ihre Verlustleistung, Umgebungstemperatur und maximale Sperrschichttemperatur an sc@bquq.com oder erreichen Sie uns über WhatsApp unter +86 13713157787. Besuchen Sie www.bquq.com für Datenblätter und Standardprofile.
