17.04.2016

Thermisches Management von Halbleitern leicht gemacht

Leistungshalbleiter und Prozessoren sind Arbeitstiere der Elektronik. F├╝r die Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser Bauelemente ist ihr effektives und effizientes thermisches Management entscheidend. TDK bietet daf├╝r ein Spektrum an Epcos NTC- und PTC-Thermistoren, mit denen sich eine zuverl├Ąssige Temperatur├╝berwachung realisieren l├Ąsst.



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├╝hrt werden m├╝ssen. Wegen des n├Âtigen thermischen Managements sind die Geh├Ąuse von Leistungshalbleitern so ausgef├╝hrt, dass sie auf K├╝hlk├Ârpern montiert werden k├Ânnen, um die W├Ąrme besser ableiten zu k├Ânnen. Die Ableitf├Ąhigkeit von K├╝hlk├Ârpern ist in K/W definiert. Je kleiner dieser Wert ist, umso gr├Â├čer ist das thermische Ableitverm├Âgen. Sind die maximal auftretende Verlustleistung eines Halbleiters und die h├Âchste zu erwartende Umgebungstemperatur bekannt, kann unter Ber├╝cksichtigung der thermischen ├ťbergangswiderst├Ąnde der erforderliche K├╝hlk├Ârper bestimmt werden.


Die passive Entw├Ąrmung allein durch thermische Konvektion st├Â├čt schnell an ihre Grenzen: Bei kleiner Chipfl├Ąche und sehr hoher Verlustleistung kann damit keine ausreichende W├Ąrmeabfuhr sichergestellt werden; au├čerdem l├Ąsst sich ein kompaktes Ger├Ąte-Design wegen der gro├čen K├╝hlk├Ârper kaum realisieren. Abhilfe schaffen hier nur Systeme mit aktiver Entw├Ąrmung ├╝ber L├╝fter oder durch eine kombinierte Wasser- und Luftk├╝hlung ├╝ber W├Ąrmetauscher, die oft ungeregelt betrieben werden


Bei vielen Applikationen treten allerdings belastungsabh├Ąngig unterschiedliche Verlustleistungen auf ÔÇô etwa bei Stromversorgungen und Umrichtern oder bei Prozessoren in PCs und Notebooks. Um die Energie-Bilanz zu verbessern und unn├Âtige Ger├Ąuschentwicklung zu vermeiden, ist es in diesen F├Ąllen sinnvoll, die aktive Entw├Ąrmung erst nach ├ťberschreitung einer definierten Grenztemperatur einzuschalten. Zur Erfassung dieser Grenztemperaturen eignen sich Thermistoren von Epcos, die in einer Vielzahl von Ausf├╝hrungen f├╝r verschiedenste Applikationen verf├╝gbar sind.


Bei den Thermistor-Basistechnologien wird zwischen Kaltleitern (PTC) und Hei├čleitern (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 ├ťberschreitung einer bestimmten Temperatur einen sehr starken Anstieg des Widerstands, wodurch sie sich als Grenztemperatur-Sensoren eignen. NTC-Thermistoren dagegen weisen eine h├Âhere Linearit├Ąt auf und eignen sich damit zur Temperaturmessung.



Sichere Temperatur├╝berwachung mit PTC-Sensoren


PTC-Thermistoren mit ihren sehr steilen Kennlinien eignen sich sehr gut zur ├ťberwachung von Grenztemperaturen und damit etwa dazu, einen L├╝fter 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 ├╝berwachen lassen: Sobald einer dieser PTC-Sensoren in einer Serienschaltung die vorgegebene Grenztemperatur ├╝berschreitet, geht die Schaltung in den hochohmigen Zustand ├╝ber. Dieses Prinzip kann beispielsweise in Notebooks angewandt werden, um den Haupt-Prozessor, den Grafik-Prozessor und andere Verlustw├Ąrme erzeugende Bauelemente mit PTC-Sensoren in SMT-Ausf├╝hrung zu ├╝berwachen.


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






Abbildung 2: EPCOS PTC-Sensoren in unterschiedlicher Ausf├╝hrung, Von links nach rechts: SMT-PTC-Temperatursensor f├╝r die Leiterplattenmontage, PTC-Sensoren zur Integration in Motorwicklungen



Schaltprinzip zur Grenztempertur-Erfassung







Abbildung 3: Schaltung zur Temperatur├╝berwachung mit PTC-Sensoren, Schaltung zur ├ťberwachung von zwei Hot-Spots: Bei ├ťberschreiten der Grenztemperatur l├Ąsst sich damit etwa ein L├╝fter einschalten.


Zur Funktion: TR1 und die beiden PTC-Sensoren bilden einen Spannungsteiler, der den nicht-invertierenden Eingang des als Komparator betriebenen Operationsverst├Ąrkers 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 ├Ąndert 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├╝berwachung einsetzen. Dies gilt besonders dann, wenn eine h├Âhere Anforderung an die Linearit├Ąt der Kennlinie gestellt wird. Wie sich eine solche Temperatur├╝berwachung zuverl├Ąssig mit NTC-Sensoren realisieren l├Ąsst, zeigt das folgende Praxisbeispiel zur Erfassung von zwei Temperaturen in einer Hochleistungs-Audioendstufe.


Um die Abmessungen des Geh├Ąuses m├Âglichst klein zu halten, wurden die acht Ausgangstransistoren in TO3-Geh├Ąusen samt der Emitter-Widerst├Ąnde auf einer kombinierten K├╝hler-L├╝ftereinheit montiert. Dabei kommen vier separate K├╝hlk├Ârper zum Einsatz, die punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Pro K├╝hlk├Ârper wurden zwei Leistungstransistoren verbaut (Abbildung 4).






Abbildung 4: Kombinierte L├╝fter-K├╝hlereinheit, Bei dieser Konstruktion muss jeder der vier K├╝hlk├Ârper thermisch ├╝berwacht werden


Ein besonderes Augenmerk wurde auf die thermische ├ťberwachung der Ausgangstransistoren gelegt. Weil diese sich auf vier elektrisch wie thermisch gegeneinander isolierten K├╝hlk├Ârpern befinden, muss jeder K├╝hlk├Ârper ├╝berwacht werden. Dies ist wiederum darin begr├╝ndet, dass es trotz ausgemessener Transistoren durch die Toleranzen zu einer leicht ungleichm├Ą├čigen Lastaufteilung kommen kann. Die thermische ├ťberwachung muss in zwei Stufen erfolgen: Sobald ein oder mehrere K├╝hlk├Ârper eine Temperatur von 85 C erreichen, muss der L├╝fter eingeschaltet werden und beim Erreichen einer Temperatur von rund 100┬░C muss ein Lastabwurf erfolgen.


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






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


F├╝r die Realisierung wurde f├╝r jeden der vier K├╝hlk├Ârper ein Epcos Typ K45 mit einem R25 von 10 kÔäŽ gew├Ąhlt (B57045K0103K000). Laut Datenblatt liegt bei 85 C das Widerstandverh├Ąltnis RT/R25 bei 0,089928, was einem Widerstand von rund 900 ÔäŽ ergibt. Bei 100 C ergibt sich ein Wert von etwa 550 ÔäŽ. F├╝r 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├Ânnen vier K├╝hlk├Ârper thermisch ├╝berwacht werden. Ab einer Temperatur von 85 ┬░C schaltet der L├╝fter ein. Sollte unter ung├╝nstigen Umst├Ąnden sogar eine Temperatur von 100 ┬░C erreicht werden, wird die Last abgeworfen. Dazu erh├Ąlt die Gleichspannungs-Schutzschaltung ein positives Signal, wodurch deren Relais abf├Ąllt.


Mit den beiden Spindeltrimmern R7 und R8 (je 2,2 kÔäŽ) werden die Referenzwerte f├╝r die beiden Schaltschwellen eingestellt. Diese liegen bei den erw├Ąhnten 900 ÔäŽ bzw. 550 ÔäŽ. F├╝r die erforderlichen acht Komparatoren (U1A ÔÇô U1D und U2A ÔÇô U2D) wurden kosteng├╝nstige Operationsverst├Ąrker des Typs LM324 verwendet.


Bei einem mehrst├╝ndigen Test unter Volllast im Br├╝ckenbetrieb schaltete der L├╝fter zuverl├Ąssig bei 85┬░C ein. Da das System thermisch relativ tr├Ąge ist, konnte auf eine sonst ├╝bliche Hysterese-Beschaltung der Komparatoren verzichtet werden. Um das Freischalten bei hoher Temperatur zu testen, wurde bei einem anschlie├čenden Versuch die Endstufe mit abgeklemmtem L├╝fter betrieben. Die ermittelte Freischalttemperatur lag bei 103┬░C. 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 Befestigungsm├Âglichkeiten kann das thermische Management von allen erdenklichen Applikationen zuverl├Ąssig realisiert werden.


 


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