Thermisches Management von Halbleitern

Leistungshalbleiter und Prozessoren sind Arbeitstiere der Elektronik. Für die Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser Bauelemente ist ihr effektives und effizientes thermisches Management entscheidend. TDK bietet dafür ein breites Spektrum an EPCOS NTC- und PTC-Thermistoren, mit denen sich eine zuverlässige Temperaturüberwachung realisieren lässt.

Leistungshalbleiter erzeugen Verlustleistungen, die im Bereich von wenigen Watt bis hin zu einigen Kilowatt liegen und abgeführt werden müssen. Wegen des nötigen thermischen Managements sind die Gehäuse von Leistungshalbleitern so ausgeführt, dass sie auf Kühlkörpern montiert werden können, um die Wärme besser ableiten zu können. Die Ableitfähigkeit von Kühlkörpern ist in K/W definiert. Je kleiner dieser Wert ist, umso größer ist das thermische Ableitvermögen. Sind die maximal auftretende Verlustleistung eines Halbleiters und die höchste zu erwartende Umgebungstemperatur bekannt, kann unter Berücksichtigung der thermischen Übergangswiderstände der erforderliche Kühlkörper bestimmt werden.

Die passive Entwärmung allein durch thermische Konvektion stößt schnell an ihre Grenzen: Bei kleiner Chipfläche und sehr hoher Verlustleistung kann damit keine ausreichende Wärmeabfuhr sichergestellt werden; außerdem lässt sich ein kompaktes Geräte-Design wegen der großen Kühlkörper kaum realisieren. Abhilfe schaffen hier nur Systeme mit aktiver Entwärmung über Lüfter oder durch eine kombinierte Wasser- und Luftkühlung über Wärmetauscher, die oft ungeregelt betrieben werden

Bei vielen Applikationen treten allerdings belastungsabhängig unterschiedliche Verlustleistungen auf – etwa bei Stromversorgungen und Umrichtern oder bei Prozessoren in PCs und Notebooks. Um die Energie-Bilanz zu verbessern und unnötige Geräuschentwicklung zu vermeiden, ist es in diesen Fällen sinnvoll, die aktive Entwärmung erst nach Überschreitung einer definierten Grenztemperatur einzuschalten. Zur Erfassung dieser Grenztemperaturen eignen sich sehr gut EPCOS Thermistoren in einer Vielzahl von Ausführungen für verschiedenste Applikationen. 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

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 Temperaturüberwachung mit PTC-Sensoren

PTC-Thermistoren mit ihren sehr steilen Kennlinien eignen sich sehr gut zur Überwachung von Grenztemperaturen und damit etwa dazu, einen Lüfter 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 überwachen lassen: Sobald einer dieser PTC-Sensoren in einer Serienschaltung die vorgegebene Grenztemperatur überschreitet, geht die Schaltung in den hochohmigen Zustand über. Dieses Prinzip kann beispielsweise in Notebooks angewandt werden, um den Haupt-Prozessor, den Grafik-Prozessor und andere Verlustwärme erzeugende Bauelemente mit PTC-Sensoren in SMT-Ausführung zu überwachen.
Eine weitere Anwendung von PTC-Sensoren ist die thermische Überwachung von Wicklungen von Drehstrommotoren. Hierfür bietet TDK spezielle Typen an, die entsprechend konfektioniert sind und sich einfach in die Wicklungen integrieren lassen. Abbildung 2 zeigt PTC-Sensoren zur Grenztemperatur-Überwachung.

Abbildung 2:

EPCOS PTC-Sensoren in unterschiedlicher Ausführung:

Von links nach rechts: SMT-PTC-Temperatursensor für die Leiterplattenmontage, PTC-Sensoren zur Integration in Motorwicklungen, PTC-Sensor mit Montagelasche zum Aufschrauben auf Kühlkörper.

Schaltprinzip zur Grenztemperturerfassung

Abbildung 3 zeigt eine einfache Schaltung mit zwei in Serie geschalteten PTC-Sensoren zur Überwachung von Grenztemperaturen. Zur Funktion: TR1 und die beiden PTC-Sensoren bilden einen Spannungsteiler, der den nicht-invertierenden Eingang des als Komparator betriebenen Operationsverstärkers 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 ändert sich das Potential am Spannungsteiler und der Komparator schaltet auf ein positives Ausgangssignal, wodurch der Transistor durchsteuert.

Abbildung 3:

Schaltung zur Temperaturüberwachung mit PTC-Sensoren

Schaltung zur Überwachung von zwei Hot-Spots: Bei Überschreiten der Grenztemperatur lässt sich damit etwa ein Lüfter einschalten.

Zwei Temperaturen mit einem Sensor erfassen

Neben PTC-Thermistoren lassen sich auch NTC-Thermistoren zur Temperaturüberwachung einsetzen. Dies gilt besonders dann, wenn eine höhere Anforderung an die Linearität der Kennlinie gestellt wird.

Wie sich eine solche Temperaturüberwachung zuverlässig mit NTC-Sensoren realisieren lässt, zeigt das folgende Praxisbeispiel zur Erfassung von zwei Temperaturen in einer Hochleistungs-Audioendstufe. Um die Abmessungen des Gehäuses möglichst klein zu halten, wurden die acht Ausgangstransistoren in TO3-Gehäusen samt der Emitter-Widerstände auf einer kombinierten Kühler-Lüftereinheit montiert. Dabei kommen vier separate Kühlkörper zum Einsatz, die punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Pro Kühlkörper wurden zwei Leistungstransistoren verbaut (Abbildung 4).

Abbildung 4:

Kombinierte Lüfter-Kühlereinheit

Bei dieser Konstruktion muss jeder der vier Kühlkörper thermisch überwacht werden.

Ein besonderes Augenmerk wurde auf die thermische Überwachung der Ausgangstransistoren gelegt. Weil diese sich auf vier elektrisch wie thermisch gegeneinander isolierten Kühlkörpern befinden, muss jeder Kühlkörper überwacht werden. Dies ist wiederum darin begründet, dass es trotz ausgemessener Transistoren durch die Toleranzen zu einer leicht ungleichmäßigen Lastaufteilung kommen kann. Die thermische Überwachung muss in zwei Stufen erfolgen: Sobald ein oder mehrere Kühlkörper eine Temperatur von 85 °C erreichen muss der Lüfter eingeschaltet werden und beim Erreichen einer Temperatur von rund 100 °C muss ein Lastabwurf erfolgen.

Diese doppelte Funktion sollte mit einem einzigen Temperatursensor erfüllt werden. Sehr gut geeignet sind dafür die EPCOS NTC-Sensoren der Serien K45 oder M703 (Abbildung 5).

Abbildung 5:

EPCOS NTC-Sensoren zur Kühlkörper-Montage

Dank der Laschen (links) bzw. des Gewindebolzens (rechts) ergibt sich bei diesen EPCOS NTC-Sensoren ein sehr guter thermischer Kontakt zum Kühlkörper.

Für die Realisierung wurde für jeden der vier Kühlkörper ein EPCOS Typ K45 mit einem R₂₅ von 10 kΩ gewählt (B57045K0103K000). Laut Datenblatt liegt bei 85 °C das Widerstandverhältnis R_T/R₂₅ bei 0,089928, was einem Widerstand von rund 900 Ω ergibt. Bei 100 °C ergibt sich ein Wert von etwa 550 Ω. Für 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 können vier Kühlkörper thermisch überwacht werden. Ab einer Temperatur von 85 °C schaltet der Lüfter ein. Sollte unter ungünstigen Umständen sogar eine Temperatur von 100 °C erreicht werden, wird die Last abgeworfen. Dazu erhält die Gleichspannungs-Schutzschaltung ein positives Signal, wodurch deren Relais abfällt.

Mit den beiden Spindeltrimmern R7 und R8 (je 2,2 kΩ) werden die Referenzwerte für die beiden Schaltschwellen eingestellt. Diese liegen bei den erwähnten 900 Ω bzw. 550 Ω. Für die erforderlichen acht Komparatoren (U1A – U1D und U2A – U2D) wurden kostengünstige Operationsverstärker des Typs LM324 verwendet.

Bei einem mehrstündigen Test unter Volllast im Brückenbetrieb schaltete der Lüfter zuverlässig bei 85 °C ein. Da das System thermisch relativ träge ist, konnte auf eine sonst übliche Hysteresebeschaltung der Komparatoren verzichtet werden. Um das Freischalten bei hoher Temperatur zu testen, wurde bei einem anschließenden Versuch die Endstufe mit abgeklemmtem Lüfter betrieben. Die ermittelte Freischalttemperatur lag bei 103 °C. Durch Feinjustierung mit R8 konnte dieser Wert auf genau 100 °C eingestellt werden.

Dank des sehr 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.