Thermische Impedanz von Leistungswandlern – Die wichtigsten Punkte im Überblick

Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur erreicht der Wandler seinen maximal zulässigen internen Temperaturgrenzwert. Um eine weitere Temperaturerhöhung zu vermeiden, muss die Verlustleistung durch Reduzierung der Last verringert werden. Dieser Vorgang wird als Derating bezeichnet¹.

Berechnung der thermischen Impedanz und des Temperaturanstiegs

Die Wärmeabgabe eines Spannungswandlers vom Gehäuse an die Umgebung lässt sich anhand der folgenden Zusammenhänge beschreiben:


Ist die Verlustleistung bekannt (Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung), ergibt sich die thermische Impedanz aus der Temperaturdifferenz, um die das Gehäuse über der Umgebungstemperatur liegt. In der Praxis ist diese Gleichung jedoch schwierig anzuwenden. Der Temperaturanstieg des Wandlers über die Umgebungstemperatur muss sehr präzise bestimmt werden, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten. Eine Möglichkeit, die Messgenauigkeit zu erhöhen, besteht darin, die Temperaturdifferenz (ΔT) in mehreren Messungen bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen zu bestimmen.

Um eine wirksame Konvektionskühlung zu gewährleisten, muss die thermische Impedanz in einer zugfreien Umgebung bestimmt werden, da die Luftbewegung durch den Ventilator der Wärmekammer das Ergebnis beeinflussen kann. Wird das zu testende Gerät (D.U.T.) in einem Pappkarton in einer temperierbaren Kammer platziert und eine Vierleitermessung (Kelvinkontaktierung) durchgeführt, lassen sich relativ genaue Ergebnisse erzielen:



Der Grund, warum Temperaturmessungen in einer zugfreien Umgebung erfolgen müssen, ist, dass die thermische Impedanz unter verschiedenen Bedingungen erheblich variiert. Sie hängt stark davon ab, wie effizient die Wärme an das umgebende Fluid (in den meisten Fällen die Umgebungsluft) abgegeben wird. Ist der Wärmeübergangskoeffizient gering, führt die Verlustleistung zu einem größeren Temperaturanstieg im Gehäuse und damit zu einer höheren thermischen Impedanz. Ist die Wärmeübertragung effizienter, fällt der Temperaturanstieg bei gleicher Verlustleistung geringer aus und führt zu einer niedrigeren thermischen Impedanz. Gleichung 1 ist somit korrekt, jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen (nur Konvektionskühlung). Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, müssen die Testbedingungen konstant bleiben. Die Dokumentation des Testaufbaus, der verwendeten Ausrüstung und der durchgeführten Kalibrierungen ist ebenso wichtig wie das Messergebnis selbst.

Für die meisten Anwendungen ist die thermische Impedanz bei Konvektionskühlung der aussagekräftigste Wert, da dies der typischen Einsatzweise von leiterplattenmontierten Wandlern entspricht. Der Wandler wird auf eine Leiterplatte gelötet und die Wärme aus dem Inneren des Wandlers durch Konvektionskühlung an die Umgebung abgegeben. Ein Teil der Wärme wird auch über die elektrischen Verbindungen zu den PCB-Leiterbahnen abgeführt. Daher sind Derating-Übersichten in Datenblättern nur dann zutreffend, wenn die empfohlenen Leiterplattenlayouts eingehalten werden. Eine geringe Wärmemenge wird zusätzlich durch Strahlung an die Umgebung abgegeben, dieser Effekt ist jedoch in der Praxis vernachlässigbar.

Wärmeabfuhr und Kühlmethoden: Konvektion vs. forciert Kühlung

Der wirksamste Weg, die Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern, besteht darin, das umgebende Fluid in Bewegung zu versetzen (daher kann der Ventilator in der Wärmekammer die Messwerte beeinflussen). Dieser Effekt ist allgemein bekannt, seit Isaac Newton 1701 eine Arbeit mit folgender Gleichung veröffentlichte:


q entspricht der Wärmeübergangsrate, h dem Wärmeübergangskoeffizienten, A der Oberfläche des D.U.T. und ΔT der Temperaturdifferenz zwischen dem D.U.T. und der Umgebung.