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Thermal

Kalkulator zur Kühlkörper-Auswahl

Berechnen Sie den erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers (ΔSA), um eine Geräteverbindung unter ihrer Maximaltemperatur zu halten. Verwenden Sie dies, um einen geeigneten Kühlkörper auszuwählen.

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Formel

θSA=TJ(max)−TAPD−θJC−θCS\theta_{SA} = \frac{T_{J(max)} - T_A}{P_D} - \theta_{JC} - \theta_{CS}
θ_SA— Erforderlicher Wärmewiderstand des Kühlkörpers (°C/W)
T_J(max)— Maximale Sperrschichttemperatur (°C)
T_A— Umgebungstemperatur (°C)
P_D— Verlustleistung (W)
θ_JC— Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse (°C/W)
θ_CS— Wärmewiderstand von Gehäuse zu Kühlkörper (°C/W)

Wie es funktioniert

Der Kühlkörper-Auswahlrechner bestimmt den erforderlichen Wärmewiderstand und empfiehlt die Größe des Kühlkörpers — unerlässlich für die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik, das LED-Wärmemanagement und das CPU-/GPU-Kühldesign. Wärmetechniker, Leiterplattendesigner und Produktingenieure verwenden diesen Wert, um sicherzustellen, dass die Komponenten innerhalb sicherer Temperaturgrenzen arbeiten. Gemäß JEDEC JESD51-14 umfasst das Auswahlverfahren: (1) Berechnung der Verlustleistung Pd, (2) Bestimmung der maximal zulässigen ΔJa von Tj (max), Ta (max) und Designmarge, (3) subtrahieren Sie die μJC und Cs, um den erforderlichen μSA zu finden, (4) wählen Sie den Kühlkörper aus, der die Anforderungen von SA erfüllt. Standardkühlkörper reichen von ΔSA = 20°C/W (kleiner Clip-On, 15×15×10 mm) bis μSA = 0,5°C/W (große Lamellen mit Lüfter, 100×100×50 mm). Bei einer Leistungsreduzierung von 10% SA sind Abweichungen bei der Herstellung und Alterung gemäß den Richtlinien für die thermische Auslegung zu berücksichtigen.

Bearbeitetes Beispiel

Wählen Sie den Kühlkörper für den MOSFET-Treiber mit einer Ableitung von 15 W im TO-247-Gehäuse. Anforderungen: Tj (maximal) = 150 °C, Ta (maximal) = 55 °C, Sollwert Tj = Tj (max) — 25 °C = 125 °C für die Zuverlässigkeitsspanne. Aus dem MOSFET-Datenblatt: μJC = 0,4 °C/W (TO-247AC). Berechne die benötigte μJA: 345JA (max.) = (125°C — 55°C) /15W = 4,67°C/W. Mit dem Bergquist Sil-Pad 2000 Wärmeleitpad (Cs = 0,3°C/W): SA (max.) = 4,67 — 0,4 — 0,3 = 3,97°C/W. 10% Derating anwenden: ωSA (Design) = 3,97 × 0,9 = 3,57°C/W. Wählen Sie Aavid 627°C 00 (60 mm extrudiert, μSA = 3,2 °C/W). Mit Umluft überprüfen: Wenn der Lüfter einen Luftstrom von 2 m/s bietet, sinkt der Sa-Wert auf 1,2 °C/W, was eine Ableitung von 40 W bei gleichem Tj ermöglicht — nützlich bei Überlastung.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie Online-Tools zur Auswahl von Kühlkörpern (Aavid, Wakefield-Vette) — Eingangsleistung, Tj (max.), Ta, Gehäusetyp; das Tool empfiehlt kompatible Produkte mit ΔSA-Kurven
  • ✓Ziehen Sie für enge Räume Wärmerohre oder Dampfkammern in Betracht — erreichen Sie bei einer Höhe von 5 mm μSA < 0,5°C/W, was dünne Formfaktoren für mobile Geräte ermöglicht
  • ✓Wärmeleitpads vereinfachen die Montage im Vergleich zu Wärmeleitpaste, haben aber einen 2-3-mal höheren μC-Wert — verwenden Sie für kritische Anwendungen Wärmeleitpaste mit kontrollierter Klebstoffdicke

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren von Schwankungen der Umgebungstemperatur — die Planung für Laborbedingungen von 25 °C schlägt in Industrieumgebungen mit 50 °C fehl; verwenden Sie immer das Worst-Case-Ta aus der Produktspezifikation
  • ✗Vernachlässigung des komponentenspezifischen Wärmewiderstands — von Gehäuse zu Gehäuse variiert 10-mal (TO-220:1 °C/W im Vergleich zu SOIC-8:40 °C/W); anhand des Gerätedatenblatts überprüfen
  • ✗Fehlende Anwendung des Derating-Faktors — in der veröffentlichten Version von µSA wird von einer idealen Montage und Luftführung ausgegangen; gemäß MIL-HDBK-251 ist eine Leistungsreduzierung von 10-20% erforderlich, um die tatsächliche Marge zu erreichen

Häufig gestellte Fragen

Der Wärmewiderstand θ (°C/W oder K/W) misst den Widerstand gegen den Wärmefluss: Tj = Ta + Pd × Ja. Ein niedrigerer θ bedeutet eine bessere Kühlung. Der Wärmepfad von der Verbindungsstelle zur Umgebung besteht aus μJC (Gehäuse, 0,4-40 °C/W), μCs (Grenzfläche, 0,1-1 °C/W) und μSA (Kühlkörper, 0,5-20 °C/W). Diese addieren sich in einer Reihe: ωJA = JC +
In der Veröffentlichung von μSA wird Folgendes vorausgesetzt: optimaler Montagedruck (50—100 psi), saubere thermische Schnittstelle, spezifizierter Luftstrom und vertikale Ausrichtung. Bei realen Installationen gibt es Abweichungen: lose Schrauben (+10% μSA), Staubansammlung (+5-15%), horizontale Montage (+20-30% bei natürlicher Konvektion). Die Reduzierung um 10% bietet eine Mindestmarge; verwenden Sie 20-30% für raue Umgebungen gemäß IPC-9592B.
Wenn die natürliche Konvektion das erforderliche μSA nicht erreichen kann, typischerweise über 5-10 W pro Gerät. Bei Kühlkörpern mit Lamellen verbessert Umluft bei 2—3 m/s den Sa-Wert um das 3-5-fache. Lüftergröße: 1 CFM pro 5-10 W Gesamtableitung im Gehäuse. Bei Leistungsdichten > 10 W/cm² bietet Flüssigkeitskühlung eine 10-mal bessere Leistung als Luft. Kostenkompromiss: größerer Kühlkörper (5—20 $) gegenüber Lüfter (3—10 $) und kleinerer Kühlkörper.
Faustregel für Aluminiumprofile mit natürlicher Konvektion: μSA ≈ 50/√ (fläche_cm²). Für μSA = 5°C/W: Fläche = (50/5) ² = 100 cm² = 10×10 cm Grundfläche. Fügen Sie Flossen hinzu, um die effektive Fläche auf derselben Grundfläche zu verdoppeln. Durch Umluft ist der Kühlkörper bei gleichem μSA um den Faktor 3-5 kleiner. Für eine genaue Dimensionierung sind Wärmekurven des Herstellers oder CFD-Simulationen erforderlich.

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