So wählen Sie die richtige Kühlkörpergröße für Hochleistungs-SSRs aus, um thermischen Ausfall zu vermeiden

Einführung: Warum Wärme der Feind von Halbleiter-Relais ist

Leistungsstarke Halbleiter-Relais (SSR) werden in der industriellen Automatisierung häufig zur Steuerung von Hochstrom-Heizelementen, Motoren und industriellen Beleuchtungslasten eingesetzt. Da SSRs keine beweglichen mechanischen Kontakte enthalten, sind sie frei von mechanischem Verschleiß. Ihre Abhängigkeit von halbleiterbasierten Leistungsbauelementen (wie Thyristoren, Triacs oder MOSFETs) führt jedoch zu einer wesentlichen physikalischen Einschränkung: interne Wärmeentwicklung.

Während des Betriebs tritt an der Halbleiter-Sperrschicht des SSR eine kleine interne Vorwärtsspannung (typischerweise 1,0 bis 1,6 Volt) auf. Dieser Spannungsabfall erzeugt in Verbindung mit dem durch das Gerät fließenden Laststrom Wärme. Beispielsweise kann ein SSR, das eine Last von 40 Ampere schaltet, 40 bis 60 Watt Wärmeleistung innerhalb seines Gehäuses erzeugen. Ohne einen ausreichend dimensionierten Kühlkörper zur Ableitung dieser thermischen Energie überschreitet die Temperatur der internen Halbleiter-Sperrschicht rasch ihre zulässige Höchsttemperatur (üblicherweise 125 Grad Celsius). Dies führt zu einem sofortigen thermischen Durchgehen und beschädigt den SSR dauerhaft im Kurzschlusszustand. Für B2B-Ingenieure und Schaltschrankbauer ist die Auswahl der richtigen Kühlkörpergröße entscheidend, um Langlebigkeit und Sicherheit des Systems zu gewährleisten. Diese Anleitung führt Sie Schritt für Schritt durch den thermischen Berechnungsprozess.

Die Physik des thermischen Widerstands bei SSR-Baugruppen

Um den richtigen Kühlkörper auszuwählen, muss das Konzept des thermischen Widerstands verstanden werden, das durch das Symbol Rth dargestellt und in Grad Celsius pro Watt (°C/W) gemessen wird. Der thermische Widerstand beschreibt den Widerstand eines Stoffs oder einer Baugruppe gegenüber dem Wärmefluss. Ein niedrigerer Rth-Wert bedeutet, dass Wärme leichter fließen kann, was zu einer besseren Kühlung führt.
Bei einer SSR- und Kühlkörperanordnung muss die Wärme drei wesentliche thermische Widerstandshindernisse durchlaufen, bevor sie in die umgebende Umgebungsluft abgegeben wird:

1. Übergangswiderstand zwischen Halbleiterchip und Gehäuse (Rth-jc): Dies ist der Widerstand zwischen dem internen Halbleiterchip und der metallischen Rückplatte der SSR. Dieser Wert wird während der Herstellung bestimmt und im technischen Datenblatt der SSR angegeben. Bei den Hochleistungs-SSRs von DAQCN wird dieser Wert durch die Verwendung hochleitfähiger Kupfergrundplatten außergewöhnlich niedrig gehalten.

2. Wärmewiderstand Gehäuse–Kühlkörper (Rth-cs): Dies ist der Widerstand zwischen der metallischen Rückplatte des SSR und der Montagefläche des Kühlkörpers. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter; selbst mikroskopisch kleine Luftpakte zwischen den beiden Oberflächen können den Wärmeübergang behindern. Um diesen Widerstand zu minimieren, ist die Aufbringung einer dünnen Schicht hochwertiger Wärmeleitpaste oder die Verwendung einer thermischen Zwischenschicht erforderlich.

3. Wärmewiderstand Kühlkörper–Umgebung (Rth-sa): Dies ist der Widerstand des Kühlkörpers selbst gegenüber der umgebenden Luft. Dieser Wert muss bei der Auswahl eines Kühlkörpers berechnet und festgelegt werden.
Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Berechnung des Wärmewiderstands eines Kühlkörpers
Um den maximal zulässigen Wärmewiderstand Ihres Kühlkörpers (Rth-sa) zu ermitteln, verwenden Sie folgende ingenieurtechnische Formel:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Im Folgenden wird jede Variable dieser Formel einzeln erläutert und beschrieben, wie ihr Wert ermittelt wird:

Schritt 1: Ermittlung der maximalen Halbleiter-Übergangstemperatur (Tj)
Während die meisten Leistungs-Halbleiter für eine maximale Sperrschichttemperatur (Tj) von 125 Grad Celsius ausgelegt sind, verringert der Betrieb eines Bauelements an seiner absoluten Grenze dessen Lebensdauer. Für Sicherheit und langfristige Zuverlässigkeit wenden Ingenieure üblicherweise einen Sicherheits-Abschlagsfaktor an und begrenzen so die maximale Betriebstemperatur der Sperrschicht (Tj) auf 95 oder 100 Grad Celsius.

Schritt 2: Bestimmung der maximalen Umgebungstemperatur (Ta)
Dies ist die höchste Temperatur innerhalb des elektrischen Steuergehäuses, in dem der SSR montiert wird. Beachten Sie, dass die Temperatur innerhalb eines industriellen Schaltschranks oft deutlich höher ist als die Umgebungstemperatur des Fabrikbodens. Falls der Schaltschrank nicht belüftet ist oder sich in der Nähe anderer wärmeentwickelnder Geräte befindet, ist konservativ eine Ta von 40 bis 50 Grad Celsius anzunehmen.

Schritt 3: Berechnung der Verlustleistung (Pd)
Die Verlustleistung ist die gesamte thermische Leistung, die vom SSR erzeugt wird, und wird in Watt gemessen. Eine zuverlässige technische Faustregel für Standard-Wechselstrom-SSRs besagt, dass sie pro Ampere Laststrom etwa 1,2 Watt Wärme erzeugen.
Pd = Laststrom (I) × 1,2
Für eine 40-A-Last:
Pd = 40 × 1,2 = 48 Watt Wärme.

Schritt 4: Datenblatt-Konstanten beschaffen (Rth-jc und Rth-cs)

• Rth-jc: Siehe Datenblatt des DAQCN-Produkts. Für einen typischen industriellen 40-A-SSR beträgt dieser Wert üblicherweise etwa 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Bei ordnungsgemäß aufgetragenem hochwertigem Wärmeleitpaste ist der Übergangswiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper äußerst gering und liegt typischerweise bei etwa 0,1 °C/W.
  

Schritt 5: Berechnung durchführen
Anhand unseres Beispiels mit einer 40-A-Last, einer sicherheitsbedingt reduzierten Sperrschichttemperatur Tj von 95 Grad Celsius und einer Umgebungstemperatur im Gehäuse Ta von 45 Grad Celsius:
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 W
Rth-jc = 0,3 °C/W
Rth-cs = 0,1 °C/W
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0,3 - 0,1
Rth-sa = (50 / 48) - 0,4
Rth-sa = 1,04 - 0,4 = 0,64 °C/W
Um die Sperrschichttemperatur des SSR unter 95 Grad Celsius zu halten, muss ein Kühlkörper mit einer thermischen Widerstandsangabe von gleich oder kleiner als 0,64 °C/W gewählt werden. Ein Kühlkörper mit einer Angabe von 0,5 °C/W oder 0,6 °C/W wäre für diese Anwendung eine ausgezeichnete und sichere Wahl.
Praktische Faktoren bei der Auswahl von Kühlkörpern
Obwohl mathematische Formeln eine präzise Grundlage liefern, können mehrere reale Faktoren die Leistung eines Kühlkörpers beeinflussen und sollten daher während des Konstruktionsprozesses berücksichtigt werden:

• Luftstrom und erzwungene Konvektion: Die thermische Widerstandsangabe eines Kühlkörpers bezieht sich in der Regel auf die natürliche Konvektion (stehende Luft). Die Einleitung eines kühlventilator innerhalb des Gehäuses verbessert die Wärmeabfuhr drastisch und reduziert den effektiven thermischen Widerstand des Kühlkörpers um bis zu 50 Prozent. Falls der verfügbare Platz begrenzt ist, wird häufig ein kleinerer Kühlkörper mit einem Gebläse zur erzwungenen Luftkühlung gegenüber einem massiven passiven Kühlkörper bevorzugt.
  
• Montageorientierung: Kühlkörper nutzen natürliche Konvektionsströme, um warme Luft nach oben zu bewegen. Um die Effizienz zu maximieren, muss der Kühlkörper stets senkrecht montiert werden, sodass die Kühlrippen vertikal ausgerichtet sind. Eine horizontale Montage kann die Kühlleistung des Kühlkörpers um 20 bis 30 Prozent verringern.
  
• Gehäusebelüftung: Ein Kühlkörper kann einen SSR nicht kühlen, wenn die heiße Luft innerhalb eines geschlossenen Gehäuses eingeschlossen bleibt. Stellen Sie sicher, dass das Schaltschrankgehäuse über ausreichende Lüftungsgitter, Belüftungsschlitze oder aktive Abluftventilatoren verfügt, um die warme Innenumgebungsluft durch kühlere Außenluft auszutauschen.
  
• Beschaffung vormontierter Einheiten: Um Konstruktionsrisiken auszuschließen und die Montagezeit auf der Fertigungsstrecke zu verkürzen, beziehen B2B-Großhändler und Panelbauer häufig SSR- und Kühlkörper-Kombinationen, die vom Hersteller bereits als Einheit vortestiert und spezifiziert wurden.
  

Warum DAQCN Ihr vertrauenswürdiger Partner für thermische Management-Lösungen ist

DAQCN fertigt eine umfassende Palette leistungsstarker Halbleiterrelais (SSR) sowie passender Aluminiumkühlkörper, die für den Einsatz in anspruchsvollen industriellen Umgebungen konzipiert sind. Unsere Lösungen für das thermische Management bieten:

• Hochreine, stranggepresste Aluminiumkühlkörper mit optimierten Rippenoberflächen für eine maximale Wärmeübertragung.
  
• Vorapplizierte, hochleitfähige Wärmeleitpads an unseren SSR-Baugruppen – so entfällt die Unordnung und Inkonsistenz einer manuellen Wärmeleitpaste-Auftragung.
  
• Vollständig charakterisierte thermische Daten für alle Produkte, sodass Ingenieure präzise Berechnungen ohne Schätzwerte durchführen können.
  Ob Sie einzelne Komponenten oder integrierte SSR-Kühlkörpermodule beschaffen – DAQCN stellt sicher, dass Ihre industriellen Heiz- und Motorsteuerungssysteme kühl, effizient und zuverlässig bleiben.
  

Fazit: Schutz Ihrer industriellen Investition

Thermischer Ausfall ist die häufigste Ursache für Schäden an SSRs, lässt sich jedoch vollständig vermeiden. Durch eine genaue Berechnung des erforderlichen thermischen Widerstands des Kühlkörpers, den Einsatz hochwertiger thermischer Übertragungsmaterialien sowie eine ausreichende Luftzufuhr können B2B-Ingenieure die Langzeitzuverlässigkeit ihrer Systeme gewährleisten. Die Zusammenarbeit mit einem spezialisierten Lieferanten wie DAQCN bietet Zugang zu Hochleistungskomponenten und technischem Know-how, um thermische Ausfälle gänzlich zu eliminieren.