Thermische Bewertung eines Leistungselektronikmoduls

In einem Leistungselektronikmodul fallen hohe thermische Verlustleistungen in den elektronischen Bauelementen an. Diese sollen über ein Gehäuse abgeführt und über dessen Kühlrippen an die Umgebung abgegeben werden. Das Gehäuse kann zudem Wärme an das Fahrzeugblech abgeben. In einem frühen Entwicklungsstadium soll das Gehäusekonzept durch Simulationen überprüft werden.

Das im oberen Bild dargestellte thermische Modell berücksichtigt neben dem Gehäuse und den wesentlichen Elektronikbauteilen auch den an das Gehäuse angrenzenden Bereich des Fahrzeugblechs. Da das Modul nur kurzzeitig belastet wird, ist vor allem das Aufheizverhalten von Interesse.

In Strömungssimulationen wurde die konvektive Wärmekopplung der Kühlrippen an die Umgebung bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Einbausituationen im Fahrzeug ermittelt. Im ungünstigsten Fall ist das Gehäuse im Fahrzeugboden eingebaut und das Fahrzeug steht. Dann verschwinden sowohl die freie als auch die erzwungene Konvektion und die gesamte Wärme muss über Wärmestrahlung oder über das Fahrzeugblech abgegeben werden.

Im realen Betrieb wird das Modul höchstens etwa 4 [min] belastet. Die mittlere Abbildung zeigt die Temperaturverteilung über dem Leistungselektronikmodul und dem Fahrzeugblech für den kritischsten Betriebsmodus 4 [min] nach Anschalten des Moduls. Als Abbild der Wärmequellen bildet sich eine stark inhomogene Temperaturverteilung aus.

Die untere Abbildung zeigt den zeitabhängigen Temperaturverlauf an verschiedenen Auswertepositionen. Nach etwa 10 [min] wird für die am stärksten belasteten Bauelemente die kritische Bauteiltemperatur von 120 [°C] überschritten. Eine stationäre Temperaturverteilung wird aufgrund der schwachen Ankopplung des Moduls an die Umgebung erst sehr viel später erreicht. Die Untersuchung zeigen, dass das untersuchte Gehäuse für die thermischen Anforderungen überdimensioniert ist.