Kühlkörper dimensionieren mit einer Gleichung: erforderlicher Wärmewiderstand aus Leistung, Umgebungstemperatur, Gehäusetemperatur. Durchgerechnetes Beispiel. BQUQ (ISO9001, Dongguan) Angebot in 12 h.
Kühlkörper-Auslegung: Eine durchgerechnete thermische Berechnung für Ihr Leistungsbudget
Dimensionieren Sie einen Kühlkörper, indem Sie von einer einzigen Zahl rückwärts rechnen: dem maximal zulässigen Wärmewiderstand zwischen dem Bauteilgehäuse und der Umgebungsluft. Der erforderliche Wärmewiderstand Kühlkörper-Luft entspricht (maximale Gehäusetemperatur minus ungünstigste Umgebungstemperatur) geteilt durch die Verlustleistung, abzüglich des Übergangswiderstands zwischen Gehäuse und Kühlkörper. Wenn Ihr Budget bei 2,5 K/W liegt, benötigen Sie einen Kühlkörper mit einem Nennwert von 2,5 K/W oder besser bei Ihrem Luftstrom – alles andere ist Rätselraten im Gewand von Technik.
Die Berechnung ist bewusst einfach gehalten, weil sie den Kontakt mit der Realität überstehen muss: reale Umgebungstemperaturen, realer Luftstrom, reale Schnittstellenmaterialien. Dieser Leitfaden führt eine Dimensionierungsübung von Watt bis zur fertigen Teilenummer durch, mit den typischen Werten, die Sie in Ihr eigenes Budget einsetzen können, bevor Sie etwas an eine Fabrik senden.
Die eine Gleichung hinter jedem Kühlkörper
Jedes Kühlkörperproblem ist eine Reihe von thermischen Widerständen, die zwischen der Wärmequelle und der Luft gestapelt sind. Der Widerstand Sperrschicht-Gehäuse ist durch das Bauteilgehäuse festgelegt. Der Widerstand Gehäuse-Kühlkörper ist durch Ihr Schnittstellenmaterial und die Montage festgelegt. Der Widerstand Kühlkörper-Luft ist der einzige Term, den Sie kaufen können – er ist der Kühlkörper.
Erforderlicher Wärmewiderstand Kühlkörper-Luft: Rth(sa) = (Tcase,max − Tamb,max) / P − Rth(Schnittstelle)
In Worten ausgedrückt: Nehmen Sie die höchste Temperatur, die das Bauteilgehäuse erreichen darf, subtrahieren Sie die heißeste Luft, die das Produkt jemals sehen wird, dividieren Sie durch die ungünstigste Leistung, und was nach Abzug der Schnittstelle übrig bleibt, ist der größte Kühlkörperwiderstand, den Sie tolerieren können.
| Thermische Verbindung | Typischer Wert | Anmerkungen |
|---|---|---|
| TO-220 Sperrschicht→Gehäuse | 2,5–4 K/W | Bewährtes Arbeitspferd-Gehäuse, benötigt guten Kühlkörper |
| TO-247 Sperrschicht→Gehäuse | 0,3–0,6 K/W | Große Kühlfahne, üblich für MOSFETs und Dioden |
| Leistungs-LED Sperrschicht→Lötpunkt | 1–3 K/W | Abhängig von Chipgröße und Substrat |
| IGBT-Modul Sperrschicht→Bodenplatte | 0,1–0,3 K/W | Breites DBC-Substrat verteilt Wärme gut |
| Wärmeleitpaste, 25 × 25 mm Schnittstelle | 0,1–0,3 K/W | Dünne Klebefuge, bestes Preis-Leistungs-Verhältnis |
| Silikonpad, 25 × 25 mm | 0,4–1,0 K/W | Einfache Montage, höherer Widerstand |
| Kein Wärmeleitmaterial (trockener Metallkontakt) | 0,5–1,5 K/W | Luftspalt dominiert; in der Produktion vermeiden |
Wichtigste Erkenntnis: Die Schnittstelle ist selten kostenlos. Bei einem TO-247 mit 25 W Verlustleistung kostet jeder 0,1 K/W Schnittstellenwiderstand 2,5 °C Gehäusetemperatur – weshalb der billigste Teil des Kühlsystems oft der lohnendste zu verbessern ist. Den vollständigen Hintergrund zum Wärmewiderstand finden Sie in unserem Leitfaden zum Wärmewiderstand von Kühlkörpern.
Durchgerechnetes Beispiel: Auslegung für einen 25-W-MOSFET in freier Luft
Nehmen Sie einen TO-247-MOSFET, der im ungünstigsten Fall 25 W Verlustleistung hat. Das Produkt wird in Innenräumen eingesetzt, daher beträgt die ungünstigste Umgebungstemperatur 50 °C. Das Datenblatt erlaubt eine Sperrschichttemperatur von 150 °C, und der Wärmewiderstand Sperrschicht-Gehäuse des Bauteils beträgt 0,4 K/W. Sie planen eine Wärmeleitpaste-Schnittstelle mit 0,3 K/W. Planen Sie eine Leistungsreserve von 20 % ein, damit der Kühlkörper nicht exakt an der Klippenkante dimensioniert wird.
Schritt 1 – Sperrschichtbudget: (150 − 50) °C = 100 K insgesamt zulässig von der Sperrschicht zur Luft. Schritt 2 – Auslegungsleistung mit Reserve: 25 W × 1,2 = 30 W. Schritt 3 – Gesamtzulässiger Widerstand: 100 K / 30 W = 3,33 K/W. Schritt 4 – Gehäuse und Schnittstelle abziehen: 3,33 − 0,4 − 0,3 = 2,63 K/W für den Kühlkörper bei natürlicher Konvektion.
| Budgetposten | Wert | Verbleibendes Budget für den Kühlkörper |
|---|---|---|
| Max. Sperrschicht − Umgebung | 100 K | — |
| Auslegungsleistung (25 W × 1,2 Reserve) | 30 W | — |
| Gesamter Rth Sperrschicht→Luft | 100/30 = 3,33 K/W | 3,33 K/W |
| Sperrschicht→Gehäuse (TO-247) | 0,40 K/W | 2,93 K/W |
| Wärmeleitpaste-Schnittstelle | 0,30 K/W | 2,63 K/W |
| Erforderlicher Rth Kühlkörper→Luft | ≤ 2,63 K/W | Zielwert |
Wichtigste Erkenntnis: Der Kühlkörper hat jetzt eine Zahl – 2,63 K/W in ruhender Luft. Über die Form ist noch nichts entschieden, aber jedes Gespräch mit einem Lieferanten beginnt mit diesem Wert statt mit „einem anständig großen".
Vom Budget zum echten Kühlkörper
Der Wärmewiderstand Kühlkörper-Luft wird durch die freiliegende Fläche, den Konvektionskoeffizienten und die Rippeneffizienz bestimmt. Ein schneller Realitätscheck verwendet Q = h × A × ΔT: Für 30 W bei einem Temperaturanstieg von 50 K benötigen Sie grob h × A = 0,6 W/K. Mit einem effektiven Koeffizienten von etwa 10 W/m²·K (typisch für eine schwarz eloxierte vertikale Rippenanordnung in freier Luft, einschließlich Strahlung) bedeutet das etwa 0,06 m² benetzte Rippenfläche – eine 100 × 75 mm Grundplatte mit 8–10 Rippen von etwa 35 mm Höhe bringt Sie dorthin.
| Kühlungsart | Typischer Konvektionskoeffizient | Praktische Kühlkörpergröße für ~30 W bei 50 K Anstieg |
|---|---|---|
| Natürliche Konvektion, blankes Aluminium | 5–8 W/m²·K | Groß: 150 × 100 × 40 mm und größer |
| Natürliche Konvektion, schwarz eloxiert | 9–14 W/m²·K | Mittel: 100 × 75 × 40 mm Klasse |
| Zwangsbelüftung 1–2 m/s | 15–40 W/m²·K | Klein: 75 × 60 × 25 mm mit 40–60 mm Lüfter |
| Zwangsbelüftung 3–5 m/s, geführt | 40–90 W/m²·K | Kompakt: 60 × 50 × 20 mm Stiftrippenkühlkörper |
Wichtigste Erkenntnis: Strahlung ist bei passiven Auslegungen keine Dekoration – schwarzes Eloxieren bringt in freier Luft etwa 30–50 % mehr effektive Flächenäquivalenz, weshalb fast jeder passive Kühlkörper dunkel ist. Wenn der Kühlkörper für natürliche Konvektion nicht in Ihr Gehäuse passt, sind die ehrlichen Optionen ein kleiner Lüfter oder eine Neukonstruktion der Leistungsstufe, nicht ein höherer Rippenstapel, der nicht mehr hineinpasst.
Derating-Faktoren, die die meisten Berechnungen übersehen
Die Gleichung setzt saubere vertikale Rippen, Meereshöhe, einen ungehinderten Kühlkörper und eine Wärmequelle voraus, die die Grundplatte vollständig bedeckt. Reale Produkte verletzen alle vier Annahmen, daher sollten Sie Multiplikatoren anwenden, bevor Sie die Teilenummer finalisieren.
| Bedingung | Typische Abwertung | Behebung |
|---|---|---|
| Rippen horizontal statt vertikal | −20–30 % natürliche Konvektion | Kühlkörper oder Produkt drehen |
| Wärmequelle kleiner als ~25 % der Grundplattenfläche | −10–30 % durch Wärmespreizung | Grundplatte dicker machen oder Wärmeverteiler hinzufügen |
| Höhe 1.500 m | −5–10 % Luftdichteeffekt | Kühlkörper überdimensionieren |
| Höhe 3.000 m | −10–20 % Luftdichteeffekt | Überdimensionieren oder Luftstrom hinzufügen |
| Kühlkörper innerhalb von 10 mm einer Gehäusewand | −10–25 % abgewürgter Luftstrom | Abstand ≥ eine Rippenteilung einhalten |
| Geführter Luftstrom, unverkleideter Lüfter | −10–25 % Rezirkulation | Verkleidung oder Kanal hinzufügen |
Wichtigste Erkenntnis: Addieren Sie die Abwertungen, die auf Ihr Produkt zutreffen, nicht alle auf jedes Produkt. Ein versiegeltes Außengehäuse mit horizontal montiertem LED-Treiber erhält drei Abwertungen gleichzeitig; ein belüftetes Innengerät mit vertikaler Platine erhält keine. Im Zweifelsfall die ungünstigste Kombination durchrechnen – und dann am ersten Prototyp mit einem Thermoelement überprüfen.
Von der Berechnung zur Teilenummer
Sobald Budget und Derating festgelegt sind, ist die Geometrieauswahl eine Katalogübung: Wählen Sie ein Profil, dessen veröffentlichter oder gemessener Widerstand bei natürlicher Konvektion das Ziel erfüllt, und bestätigen Sie dann, dass die Grundplatte auf Länge geschnitten, plan gefräst, gebohrt und gemäß Ihrer Zeichnung bearbeitet werden kann. Hier hilft eine Quellenfabrik, die sowohl Strangpress-Kühlkörper als auch CNC-gefräste Kühlkörper herstellt: Strangpressen gewinnt bei Volumen mit Standardprofilen, Fräsen gewinnt, wenn die Grundplatte Taschen, Montagebosse oder enge Planheitstoleranzen benötigt, die keine Matrize liefern kann. Senden Sie Watt, Umgebungstemperaturbereich, Gehäusetemperaturgrenze, Luftstrom (oder „ruhende Luft") und Bauraumbeschränkungen zusammen – mit diesen fünf Eingaben kann eine Fabrik den Kühlkörper in einem Durchgang dimensionieren und bepreisen. Unser 8-stufiger Arbeitsablauf zur Kühlkörperauswahl deckt den Rest des Weges von dieser Berechnung bis zur freigegebenen Teilenummer ab.
Häufig gestellte Fragen
F: Welche Formel verwende ich zur Dimensionierung eines Kühlkörpers?
A: Der erforderliche Wärmewiderstand Kühlkörper-Luft entspricht (Tcase,max − Tamb,max) geteilt durch die Verlustleistung, abzüglich des Schnittstellenwiderstands. Wählen Sie dann einen Kühlkörper, dessen Nennwiderstand bei Ihrem Luftstrom gleich oder niedriger als dieses Budget ist. Die gesamte Disziplin besteht darin, diese Ungleichung im ungünstigsten Fall einzuhalten.
F: Was ist ein guter Wärmewiderstand für einen Kühlkörper mit natürlicher Konvektion?
A: Ein mittlerer stranggepresster Aluminiumkühlkörper von etwa 100 × 75 × 40 mm erreicht in ruhender Luft typischerweise 2–3 K/W, wenn er schwarz eloxiert ist, und größere oder rippenreichere Profile erreichen 1–1,5 K/W. Unter etwa 1 K/W ohne Lüfter wird der Kühlkörper unpraktisch groß – das ist der Übergangspunkt zur Zwangsbelüftung.
F: Wie viel Leistungsreserve sollte ich bei der Dimensionierung hinzufügen?
A: Verwenden Sie 15–30 % zusätzlich zur gemessenen ungünstigsten Verlustleistung, plus Derating für Ausrichtung, Höhenlage oder Gehäuseblockade. Reserve ist in der Zeichnungsphase billig und sehr teuer, wenn Gehäuse, Leiterplatte und thermische Lösung bereits festgelegt sind.
F: Muss ich das Schnittstellenmaterial wirklich in die Berechnung einbeziehen?
A: Ja. Eine trockene Metallverbindung kann 0,5–1,5 K/W hinzufügen, was bei einem 25-W-Bauteil 12–37 °C Gehäusetemperatur bedeutet. Wärmeleitpaste oder ein Phasenwechselpad kostet typischerweise 0,1–0,5 K/W und ist die kostengünstigste Leistungsverbesserung in der gesamten thermischen Kette.
F: Warum wird mein Prototyp heißer als die Berechnung vorhergesagt hat?
A: Meistens eine von vier Ursachen: Die Wärmequelle ist klein und die Grundplatte verteilt die Wärme schlecht, die Rippen sind nicht vertikal, der Kühlkörper sitzt zu nah an einer Gehäusewand, oder die reale Umgebungstemperatur ist höher als angenommen. Messen Sie die Gehäusetemperatur mit einem Thermoelement bei verschiedenen Lasten und vergleichen Sie sie Posten für Posten mit dem Budget.
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