Sperrschichttemperatur mit Kühlkörper
Die Verlustleistung eines Halbleiters muss als Wärme über Gehäuse und Kühlkörper an die Luft. Jeder Wärmewiderstand auf dem Weg hebt die Temperatur im Inneren an.
- ϑJ
- Sperrschichttemperatur (im Halbleiter) °C
- ϑU
- Umgebungstemperatur (Luft am Kühlkörper) °C
- P
- Verlustleistung im Bauteil mW · W
- Rth
- Wärmewiderstand Sperrschicht → Luft (Summe) K/W
Die Formel umgestellt
- nach ϑJ Sperrschichttemperatur (im Halbleiter)ϑJ=ϑU+P·Rth
- nach ϑU Umgebungstemperatur (Luft am Kühlkörper)ϑU=ϑJ−P·Rth
- nach P Verlustleistung im BauteilP=ϑJ−ϑURth
- nach Rth Wärmewiderstand Sperrschicht → Luft (Summe)Rth=ϑJ−ϑUP
Größen und Einheiten
| Zeichen | Größe | Einheiten |
|---|---|---|
| ϑJ | Sperrschichttemperatur (im Halbleiter) | °C |
| ϑU | Umgebungstemperatur (Luft am Kühlkörper) | °C |
| P | Verlustleistung im Bauteil | mW, W |
| Rth | Wärmewiderstand Sperrschicht → Luft (Summe) | K/W |
Merke
ϑ_J = ϑ_U + P · R_th – wie das ohmsche Gesetz für Wärme: Die Verlustleistung „fließt“ durch den Wärmewiderstand, die Temperaturdifferenz ist ΔT = P · R_th. Die Teilwiderstände liegen in Reihe und addieren sich: R_th = R_thJC (Sperrschicht → Gehäuse) + R_thCS (Gehäuse → Kühlkörper, Wärmeleitpaste oder Isolierscheibe) + R_thSA (Kühlkörper → Luft).
In der Praxis
Kühlkörper für Transistoren, MOSFETs, Halbleiterrelais, Spannungsregler und Gleichrichter auslegen. Die höchste zulässige Sperrschichttemperatur steht im Datenblatt, bei Silizium meist 150 °C, manchmal 175 °C. Man plant mit Reserve (oft höchstens 100 bis 125 °C), denn jede Erwärmung um etwa 10 K verkürzt die Lebensdauer spürbar. Ohne Kühlkörper hat ein TO-220-Gehäuse rund 60 K/W – schon 2 W machen es dann über 120 K wärmer als die Luft.
Beispiel
Ein MOSFET setzt 10 W in Wärme um. Sperrschicht → Gehäuse 1 K/W, Wärmeleitpaste 0,5 K/W, Kühlkörper 2,5 K/W (zusammen 4 K/W). Im Gehäuse sind es 40 °C. Wie warm wird die Sperrschicht?
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