Direktgekühlte Leistungselektronik Thermomanagement mit dielektrischen Flüssigkeiten im Vergleich zur klassischen Kühlung

Wie kann das Thermomanagement effizienter und nachhaltiger werden? Wird Leistungselektronik durch dielektrische Flüssigkeiten gekühlt, bietet das neue Möglichkeiten im Vergleich zu klassischen Kühlmethoden. Der Vortrag gibt Einblicke über die Zukunft nachhaltiger Kühlung.

Im Vortrag von Thomas Menrath vom Fraunhofer IISB am 30. Oktober auf den Cooling Days geht es um eine innovative Methode der direkten Kühlung von Leistungselektronik mit dielektrischen Flüssigkeiten. Der Vortrag beleuchtet die Vorteile, Herausforderungen und nachhaltigen Potenziale beim Einsatz von dielektrischen Flüssigkeiten. Am Beispiel eines Umrichters zeigt der Referent auf, wie die Kühltechnik im Vergleich zur traditionellen Wasserkühlung neue Möglichkeiten eröffnet. Der Fokus liegt darauf, die Potenziale für aktive und passive Komponenten innerhalb dieses Systems zu erforschen. Zudem werden die Designmöglichkeiten bei Leistungsmodulen erörtert und der spezielle Messplatz vorgestellt, der die einzigartigen Herausforderungen bei den Messungen in diesen Systemen adressiert. Alles geschieht stets mit dem Ziel, nachhaltigere und besser rezyklierbare Leistungselektronik zu entwickeln.

Vorteile der Direktkühlung und die thermische Simulation

Die Teilnehmer werden unter anderem die Vorteile und Herausforderungen der Direktkühlung mit dielektrischen Flüssigkeiten lernen und verstehen. Diese Methode bietet eine deutliche „Reduktion an Materialverbunden für einfacheres Rezyklieren und mehr Designfreiheit“, wie Thomas Menrath vom Fraunhofer IISB erläutert. Die Direktkühlung ermöglicht auch eine bessere Darstellung der elektrischen Isolation für Halbleiter und passive Komponenten. Dennoch sind die technischen Grenzen nicht zu vernachlässigen, da „dielektrische Flüssigkeiten meist deutlich schlechtere thermisch-physikalische Eigenschaften“ besitzen, wie Menrath betont.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der thermischen Simulation. Hierbei müssen Entwickler und Ingenieure besonders auf die „Annahmen und Vereinfachungen, aber auch auf die Verifikation durch Messungen“ achten, sagt Menrath. Es ist essenziell, dass die thermisch-physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten temperaturabhängig bekannt sind, da sie sich stärker als bei Wasser verändern können. Zur präzisen Vorbereitung auf reale Bedingungen sollten auch die „Sensorik in der Simulation mit betrachtet werden“.

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Die thermische Impedanzmessung und die Temperatur der Halbleiter

Die messtechnischen Anforderungen in diesen Systemen werfen ebenfalls komplexe Fragen auf. Um genaue Messergebnisse zu erhalten, „müssen Sensoren möglichst gut von der strömenden Flüssigkeit thermisch isoliert werden“, ohne den Wärmestrom zu behindern. Eine mögliche Lösung ist die thermische Impedanzmessung, bei der „temperaturabhängige Eigenschaften genutzt werden, um die Temperatur der Halbleiter zu bestimmen, ohne zusätzliche Sensorik“.

Zusammengefasst fokussiert der Vortrag auf drei zentrale Aspekte: den Vergleich traditioneller Kühlmethoden mit Luft und Wasser gegenüber dielektrischen Flüssigkeiten, die messtechnischen Herausforderungen direktgekühlter Systeme und den Vergleich zwischen Simulation und Messung, um nachhaltige Lösungen in der Leistungselektronik zu fördern. Dieses Wissen stellt nicht nur die aktuellen Forschungsbemühungen vor, sondern bietet auch neue Einblicke, wie Nachhaltigkeit besser in die Praxis umgesetzt werden kann. Teilnehmer sind eingeladen, sich in weiterführenden Diskussionen zu engagieren und sich zu diesem zukunftsfähigen Thema auszutauschen.

Die Cooling Days 2025 sind Teil der Entwickler-Veranstaltung Power of Electronics vom 29. bis 30. Oktober in Würzburg. (heh)

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