Netzteile sind für die Stromversorgung vieler Systeme unverzichtbar. Doch die Spannungsumwandlung geht stets mit der Produktion von Verlustwärme einher, die effektiv abgeführt werden muss. Traditionell verlassen sich viele Systeme auf Luftschlitze oder Lüfter, um diese Wärme abzuleiten.

Allerdings können diese Kühlmethoden gerade unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen zu erheblichen Problemen führen. Staub und Feuchtigkeit dringen durch Luftschlitze ein oder werden von Lüftern angesaugt, was elektrischen Systemen erheblichen Schaden zufügen kann. Diese Herausforderungen sind besonders in Anwendungen im Freien offensichtlich, die direkt den Witterungseinflüssen ausgesetzt sind. Auch in medizinischen Applikationen, welche effektiv und sicher desinfiziert werden müssen, ist dies zu beachten. Aber ebenso in industriellen Automatisierungssystemen, in denen Staub oder sogar feine Metallpartikel aus der Produktion allgegenwärtig sind, können herkömmliche Kühlmethoden den vorzeitigen Ausfall von Netzteilen und anderen elektrischen Komponenten bedeuten. Unsere Erfahrungen in unserem Service-Center bestätigen diese Problematik regelmäßig.

Die Lösung für diese Herausforderungen bietet die Baseplate-Kühlung. In diesem Beitrag werfen wir einen detaillierten Blick auf die verschiedenen Kühlungskonzepte und analysieren Vor- und Nachteile, insbesondere im Kontext der Baseplate-Kühlung.

Natürliche Konvektion

Natürliche Konvektion ist eine weit verbreitete Methode zur Kühlung von Netzteilen. Bei dieser Methode wird die Verlustwärme durch den natürlichen Aufstieg erwärmter Luft abgeführt (Abb. 1). Wenn ein Netzteil in Betrieb ist, erhitzt sich die umgebende Luft und steigt auf, während kühlere Luft von unten nachströmt. Diese natürliche Zirkulation ermöglicht eine einfache und kostengünstige Kühlung ohne den Einsatz von mechanischen Komponenten wie Lüftern. Allerdings ist diese Methode in der Regel auf Anwendungen mit niedrigerer Leistungsdichte beschränkt und kann unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen ineffektiv sein.

Aktive Luftkühlung

Aktive Luftkühlung, durch interne oder externe Lüfter realisiert, ist eine häufige Methode, um die Kühlleistung von Netzteilen zu erhöhen. Lüfter fördern aktiv Luft durch das Netzteil und verbessern die Wärmeabfuhr (Abb. 2). Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte und eine effektivere Kühlung, insbesondere in Umgebungen mit höheren Temperaturen. Allerdings bringen Lüfter auch Nachteile mit sich wie Geräuschentwicklung, Reduktion der MTBF (Mean Time Between Failures) und eine erhöhte Anfälligkeit für Staub und Feuchtigkeit, insbesondere in extremen Umgebungen.

Kontaktkühlung

Die Kontaktkühlung bzw. Baseplate-Kühlung (Abb. 3) stellt eine innovative Alternative dar, insbesondere in Anwendungen, in denen natürliche Konvektion und aktive Luftkühlung an ihre Grenzen stoßen. Hierbei werden kritische Komponenten des Netzteils direkt auf einer metallischen Bodenplatte montiert (Abb. 4).

So kann die Hitze durch thermische Kopplung dieser Bodenplatte an das metallene Systemgehäuse nach außen transportiert und die Innentemperatur deutlich gesenkt werden. Luftschlitze, die das Eindringen von Fremdkörpern ermöglichen, sind somit entbehrlich. Die Baseplate-Kühlung verbessert nicht nur die Wärmeableitung, sondern bietet auch Flexibilität bei der Platzierung des Netzteils und reduziert gleichzeitig potenzielle Ausfallursachen wie Staub- und Feuchtigkeitsschäden.

Am Beispiel des CFM500S480 soll gezeigt werden, welchen Effekt die Kontaktkühlung hat. Betrachtet man die Derating-Kurve (Abb. 5 links) für den Betrieb unter reiner Konvektionskühlung, erkennt man stark voneinander abweichende Kurven je nach Eingangsspannung und Typ. Im Worst-Case muss die Leistung auf 400 W beschränk werden, das Derating setzt in jedem Fall schon bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C ein.

CFM500S480C beschreibt hier die Variante mit zusätzlichem Gehäuse. Die Variante schneidet stets besser ab, da das mit der Grundplatte verbundene Gehäuse als zusätzlicher Kühlkörper fungiert.

Durch thermische Kopplung an eine geeignete Kühlfläche (Abb. 5 rechts) können alle Varianten selbst bei einer Eingangsspannung von 115 V AC die volle Leistung von 500 W zur Verfügung stellen. Das Einsetzen des Deratings kann auf bis auf eine Umgebungstemperatur von 60 °C verbessert werden.

Mit einer zusätzlichen Kühlfläche, die gut 12 mal so groß ist wie die Grundfläche des Netzteils, kann eine Erhöhung der zulässigen Arbeitsumgebungstemperatur von 30 °C erreicht werden. Das klingt zunächst nach sehr viel Material, doch sind in vielen Applikationen sowieso große Metallflächen in Form des Gehäuses vorhanden. Außerdem relativiert sich der Materialaufwand bei Einsatz eines gerippten Kühlkörpers, der dann nicht mehr größer als die Netzteilgrundfläche ist. Entscheidend für den Wärmeaustausch ist die verfügbare Oberfläche. Die Anforderungen an leise, wartungsarme und abgedichtete Systeme steigen immer weiter. Cincon begegnet diesem Trend mit einer Reihe von Produkten in den Leistungsklassen zwischen 130 und 500 W, alle mit Kontaktkühlung über die Grundplatte und alle erhältlich bei FORTEC Power.