17.04.2016

Thermisches Management von Halbleitern leicht gemacht

Leistungshalbleiter und Prozessoren sind Arbeitstiere der Elektronik. F√ľr die Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser Bauelemente ist ihr effektives und effizientes thermisches Management entscheidend. TDK bietet daf√ľr ein Spektrum an Epcos NTC- und PTC-Thermistoren, mit denen sich eine zuverl√§ssige Temperatur√ľberwachung realisieren l√§sst.



Autor: Christoph Jehle, Manager Technology & Product Communications - Corporate Communications - Public Relations Epcos (TDK Group)


Leistungshalbleiter erzeugen Verlustleistungen, die im Bereich von wenigen Watt bis hin zu einigen Kilowatt liegen und abgef√ľhrt werden m√ľssen. Wegen des n√∂tigen thermischen Managements sind die Geh√§use von Leistungshalbleitern so ausgef√ľhrt, dass sie auf K√ľhlk√∂rpern montiert werden k√∂nnen, um die W√§rme besser ableiten zu k√∂nnen. Die Ableitf√§higkeit von K√ľhlk√∂rpern ist in K/W definiert. Je kleiner dieser Wert ist, umso gr√∂√üer ist das thermische Ableitverm√∂gen. Sind die maximal auftretende Verlustleistung eines Halbleiters und die h√∂chste zu erwartende Umgebungstemperatur bekannt, kann unter Ber√ľcksichtigung der thermischen √úbergangswiderst√§nde der erforderliche K√ľhlk√∂rper bestimmt werden.


Die passive Entw√§rmung allein durch thermische Konvektion st√∂√üt schnell an ihre Grenzen: Bei kleiner Chipfl√§che und sehr hoher Verlustleistung kann damit keine ausreichende W√§rmeabfuhr sichergestellt werden; au√üerdem l√§sst sich ein kompaktes Ger√§te-Design wegen der gro√üen K√ľhlk√∂rper kaum realisieren. Abhilfe schaffen hier nur Systeme mit aktiver Entw√§rmung √ľber L√ľfter oder durch eine kombinierte Wasser- und Luftk√ľhlung √ľber W√§rmetauscher, die oft ungeregelt betrieben werden


Bei vielen Applikationen treten allerdings belastungsabh√§ngig unterschiedliche Verlustleistungen auf ‚Äď etwa bei Stromversorgungen und Umrichtern oder bei Prozessoren in PCs und Notebooks. Um die Energie-Bilanz zu verbessern und unn√∂tige Ger√§uschentwicklung zu vermeiden, ist es in diesen F√§llen sinnvoll, die aktive Entw√§rmung erst nach √úberschreitung einer definierten Grenztemperatur einzuschalten. Zur Erfassung dieser Grenztemperaturen eignen sich Thermistoren von Epcos, die in einer Vielzahl von Ausf√ľhrungen f√ľr verschiedenste Applikationen verf√ľgbar sind.


Bei den Thermistor-Basistechnologien wird zwischen Kaltleitern (PTC) und Heißleitern (NTC) unterschieden, deren Widerstandskurven eine stark voneinander abweichende Charakteristik aufweisen (Abbildung 1).






Abbildung 1: Widerstandskurven von PTC- und NTC-Thermistoren; PTC-Thermistoren (links) zeigen bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur einen sehr starken Anstieg des Widerstands, wodurch sie sich als Grenztemperatur-Sensoren eignen. NTC-Thermistoren dagegen weisen eine höhere Linearität auf und eignen sich damit zur Temperaturmessung.



Sichere Temperatur√ľberwachung mit PTC-Sensoren


PTC-Thermistoren mit ihren sehr steilen Kennlinien eignen sich sehr gut zur √úberwachung von Grenztemperaturen und damit etwa dazu, einen L√ľfter beim Erreichen einer bestimmten Temperatur einzuschalten. Ein weiterer Vorteil der PTC-Temperatur-Charakteristik liegt darin, dass sich mit in Serie geschalteten PTC-Thermistoren und damit in ihrer Funktion als Temperatursensor sehr einfach mehrere Hot-Spots √ľberwachen lassen: Sobald einer dieser PTC-Sensoren in einer Serienschaltung die vorgegebene Grenztemperatur √ľberschreitet, geht die Schaltung in den hochohmigen Zustand √ľber. Dieses Prinzip kann beispielsweise in Notebooks angewandt werden, um den Haupt-Prozessor, den Grafik-Prozessor und andere Verlustw√§rme erzeugende Bauelemente mit PTC-Sensoren in SMT-Ausf√ľhrung zu √ľberwachen.


Eine weitere Anwendung von PTC-Sensoren ist die thermische √úberwachung von Wicklungen von Drehstrommotoren. Hierf√ľr bietet TDK spezielle Typen an, die entsprechend konfektioniert sind und sich einfach in die Wicklungen integrieren lassen. Abbildung 2 zeigt PTC-Sensoren zur Grenztemperatur-√úberwachung.






Abbildung 2: EPCOS PTC-Sensoren in unterschiedlicher Ausf√ľhrung, Von links nach rechts: SMT-PTC-Temperatursensor f√ľr die Leiterplattenmontage, PTC-Sensoren zur Integration in Motorwicklungen



Schaltprinzip zur Grenztempertur-Erfassung







Abbildung 3: Schaltung zur Temperatur√ľberwachung mit PTC-Sensoren, Schaltung zur √úberwachung von zwei Hot-Spots: Bei √úberschreiten der Grenztemperatur l√§sst sich damit etwa ein L√ľfter einschalten.


Zur Funktion: TR1 und die beiden PTC-Sensoren bilden einen Spannungsteiler, der den nicht-invertierenden Eingang des als Komparator betriebenen Operationsverst√§rkers versorgt. TR1 wird so eingestellt, dass sein maximaler Wert etwa dem doppelten Widerstand des Werts der PTC-Serienschaltung bei 25 C entspricht. Zur Feinjustierung kann der Wert von TR1 entsprechend eingestellt werden. In kaltem Zustand liegt am nicht-invertierenden Eingang ein Potential, das negativer als das Bezugspotential am invertierenden Eingang ist, wodurch am Ausgang des Komparators negative Spannung anliegt. Erreichen einer oder beide PTC-Sensoren die Grenztemperatur √§ndert sich das Potential am Spannungsteiler und der Komparator schaltet auf ein positives Ausgangssignal, wodurch der Transistor durchsteuert. 



Zwei Temperaturen mit einem Sensor erfassen

Neben PTC-Thermistoren lassen sich auch NTC-Thermistoren zur Temperatur√ľberwachung einsetzen. Dies gilt besonders dann, wenn eine h√∂here Anforderung an die Linearit√§t der Kennlinie gestellt wird. Wie sich eine solche Temperatur√ľberwachung zuverl√§ssig mit NTC-Sensoren realisieren l√§sst, zeigt das folgende Praxisbeispiel zur Erfassung von zwei Temperaturen in einer Hochleistungs-Audioendstufe.


Um die Abmessungen des Geh√§uses m√∂glichst klein zu halten, wurden die acht Ausgangstransistoren in TO3-Geh√§usen samt der Emitter-Widerst√§nde auf einer kombinierten K√ľhler-L√ľftereinheit montiert. Dabei kommen vier separate K√ľhlk√∂rper zum Einsatz, die punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Pro K√ľhlk√∂rper wurden zwei Leistungstransistoren verbaut (Abbildung 4).






Abbildung 4: Kombinierte L√ľfter-K√ľhlereinheit, Bei dieser Konstruktion muss jeder der vier K√ľhlk√∂rper thermisch √ľberwacht werden


Ein besonderes Augenmerk wurde auf die thermische √úberwachung der Ausgangstransistoren gelegt. Weil diese sich auf vier elektrisch wie thermisch gegeneinander isolierten K√ľhlk√∂rpern befinden, muss jeder K√ľhlk√∂rper √ľberwacht werden. Dies ist wiederum darin begr√ľndet, dass es trotz ausgemessener Transistoren durch die Toleranzen zu einer leicht ungleichm√§√üigen Lastaufteilung kommen kann. Die thermische √úberwachung muss in zwei Stufen erfolgen: Sobald ein oder mehrere K√ľhlk√∂rper eine Temperatur von 85 C erreichen, muss der L√ľfter eingeschaltet werden und beim Erreichen einer Temperatur von rund 100¬įC muss ein Lastabwurf erfolgen.


Diese doppelte Funktion sollte mit einem Temperatursensor erf√ľllt werden. Gut geeignet sind daf√ľr die Epcos NTC-Sensoren der Serien K45 oder M703 (Abbildung 5).






Abbildung 5: EPCOS NTC-Sensoren zur K√ľhlk√∂rper-Montage, Dank der Laschen (links) bzw. des Gewindebolzens (rechts) ergibt sich bei diesen EPCOS NTC-Sensoren ein sehr guter thermischer Kontakt zum K√ľhlk√∂rper


F√ľr die Realisierung wurde f√ľr jeden der vier K√ľhlk√∂rper ein Epcos Typ K45 mit einem R25 von 10 k‚Ą¶ gew√§hlt (B57045K0103K000). Laut Datenblatt liegt bei 85 C das Widerstandverh√§ltnis RT/R25 bei 0,089928, was einem Widerstand von rund 900 ‚Ą¶ ergibt. Bei 100 C ergibt sich ein Wert von etwa 550 ‚Ą¶. F√ľr die doppelte Temperaturmessung ist eine Schaltung mit zwei Komparatoren erforderlich. Die komplette, realisierte Schaltung zeigt Abbildung 6.






Abbildung 6: Doppelter Temperaturschutz einer Audio-Endstufe, Mit dieser Schaltung k√∂nnen vier K√ľhlk√∂rper thermisch √ľberwacht werden. Ab einer Temperatur von 85 ¬įC schaltet der L√ľfter ein. Sollte unter ung√ľnstigen Umst√§nden sogar eine Temperatur von 100 ¬įC erreicht werden, wird die Last abgeworfen. Dazu erh√§lt die Gleichspannungs-Schutzschaltung ein positives Signal, wodurch deren Relais abf√§llt.


Mit den beiden Spindeltrimmern R7 und R8 (je 2,2 k‚Ą¶) werden die Referenzwerte f√ľr die beiden Schaltschwellen eingestellt. Diese liegen bei den erw√§hnten 900 ‚Ą¶ bzw. 550 ‚Ą¶. F√ľr die erforderlichen acht Komparatoren (U1A ‚Äď U1D und U2A ‚Äď U2D) wurden kosteng√ľnstige Operationsverst√§rker des Typs LM324 verwendet.


Bei einem mehrst√ľndigen Test unter Volllast im Br√ľckenbetrieb schaltete der L√ľfter zuverl√§ssig bei 85¬įC ein. Da das System thermisch relativ tr√§ge ist, konnte auf eine sonst √ľbliche Hysterese-Beschaltung der Komparatoren verzichtet werden. Um das Freischalten bei hoher Temperatur zu testen, wurde bei einem anschlie√üenden Versuch die Endstufe mit abgeklemmtem L√ľfter betrieben. Die ermittelte Freischalttemperatur lag bei 103¬įC. Durch Feinjustierung mit R8 konnte dieser Wert auf genau 100 C eingestellt werden.


Dank des breiten Spektrums an Epcos NTC- und PTC-Sensoren mit unterschiedlichen Kennlinien und verschiedensten Bauformen und Befestigungsmöglichkeiten kann das thermische Management von allen erdenklichen Applikationen zuverlässig realisiert werden.


 


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