Refroidissement de l'IGBT à l'aide de la technologie des liquides : Amélioration de l'efficacité électronique

Le refroidissement liquide gère la chaleur d'un IGBT en la transportant de la jonction silicium, à travers la plaque de base du module et une couche d'interface thermique, jusqu'à une plaque froide et le circuit de refroidissement. La température de jonction est le facteur limitant de ce processus. Elle constitue l'une des principales limites de la densité de puissance utilisable, avec la zone de fonctionnement sécuritaire, l'impédance thermique transitoire et les caractéristiques électriques du composant. Maintenir la jonction dans sa plage de fonctionnement nominale garantit un fonctionnement fiable du module ; une augmentation de sa température entraîne une hausse des pertes, des contraintes thermiques et du vieillissement. Pour les onduleurs de traction de véhicules électriques, les convertisseurs de stockage d'énergie et les entraînements industriels, le refroidissement par air atteint souvent ses limites avant le module. Un circuit de refroidissement liquide bien conçu s'avère alors indispensable.

Ce document s'adresse aux ingénieurs en électronique de puissance et en thermique des batteries, chargés de déterminer si un IGBT nécessite un refroidissement liquide et, le cas échéant, d'identifier les paramètres de la plaque froide et du liquide de refroidissement qui influencent le résultat. L'objet de cet article est exclusivement consacré au problème du refroidissement. Le dimensionnement de l'onduleur, la conception de la commande de grille et l'agencement électrique de la batterie ne sont pas abordés.

Pourquoi les modules IGBT génèrent-ils de la chaleur ?

Deux mécanismes de pertes sont à l'origine de la chaleur à l'intérieur d'un IGBT : les pertes par conduction et les pertes par commutation. Les pertes par conduction se produisent lorsque le composant est parcouru par un courant entre le collecteur et l'émetteur ; la chute de tension à l'état passant, multipliée par le courant, se traduit alors en chaleur dans la puce. Les pertes par commutation apparaissent lors de chaque transition marche/arrêt, lorsque la tension et le courant se chevauchent brièvement et que l'énergie stockée est libérée sous forme d'impulsion thermique. Ces deux types de pertes sont proportionnels au point de fonctionnement. Augmenter la fréquence de commutation, la tension du bus ou le courant de charge entraîne une augmentation des pertes totales.

En pratique, la consommation de refroidissement dépend du profil de fonctionnement et non des caractéristiques techniques. Une fréquence de commutation plus élevée augmente généralement les pertes par commutation ; ainsi, un module qui reste froid en fonctionnement continu dans un variateur industriel peut chauffer sous une charge de traction transitoire rapide, à courant égal. Spécifiez gestion thermique par rapport au cycle de service réel, et non à une seule valeur nominale.

Comment la surchauffe limite les performances et la durée de vie des IGBT

Si la jonction dépasse sa limite nominale, trois problèmes se produisent simultanément : contraintes thermiques, pertes accrues et vieillissement accéléré. Les contraintes thermiques s'accumulent au niveau des matériaux incompatibles du boîtier et se manifestent au fil du temps par la fatigue des fils de connexion, la fissuration des joints de soudure et le délaminage du substrat. Les pertes augmentent car la chute de tension à l'état passant croît avec la température. Le vieillissement s'accélère car la plupart des mécanismes de défaillance des modules de puissance sont fortement dépendants de la température : une température de jonction moyenne plus élevée et des cycles thermiques plus importants tendent à accélérer certains modes de défaillance. La durée de vie réelle dépend néanmoins du profil de mission, de l'amplitude du cycle thermique et du modèle de durée de vie propre au module.

La température de jonction et la résistance thermique sont définies et mesurées conformément aux normes IEC 60747-9 et IEC 60747-15, qui spécifient la caractérisation des résistances jonction-boîtier et boîtier-dissipateur. Une étude publiée sur les transistors à microcanaux refroidis par plaque froide a maintenu le boîtier du module à une température inférieure à 100 °C afin de respecter la limite de température de jonction de 125 °C sur son banc d'essai. Il convient de considérer cette valeur comme une contrainte propre à cette étude et non comme une valeur universelle. Les limites applicables au boîtier et à la jonction doivent être consultées dans la fiche technique du module cible ; les limites de jonction typiques des IGBT en silicium se situent entre 125 et 150 °C.

Que comprend un circuit de refroidissement liquide pour IGBT ?

Quatre composants évacuent la chaleur de l'IGBT du module vers l'environnement extérieur, et chacun ajoute une résistance thermique à prendre en compte :

• Plaque froide : boulonnée ou collée près de la plaque de base du module ; la conception de ses canaux et la qualité de ses contacts déterminent la quantité de chaleur qui atteint le fluide de refroidissement.
• Liquide de refroidissement : fluide caloporteur qui absorbe la chaleur au niveau de la plaque froide et l’évacue.
• Pompe : détermine le débit du circuit, en optimisant la capacité de refroidissement au détriment de la consommation d'énergie parasite et de la perte de charge.
• Échangeur de chaleur ou radiateur déporté : rejette la chaleur collectée dans l’air ambiant ou dans une boucle secondaire.

Le trajet jonction-fluide de refroidissement est constitué d'une série de résistances : jonction-boîtier à l'intérieur du module, boîtier-plaque froide à travers l'interface, et plaque froide-fluide. Dans une conception classique, le fluide de refroidissement ne touche pas la plaque de base du module. Il circule dans les canaux internes de la plaque froide et dissipe la chaleur à travers la paroi de la plaque et l'interface. Le refroidissement liquide est particulièrement efficace lorsqu'il agit sur un segment sur lequel on peut agir, c'est-à-dire, pour la plupart des intégrateurs, l'interface et la face de la plaque froide. Connaître la répartition entre… dissipateur thermique et plaque froide c'est la première étape pour déterminer d'où provient la marge.

Pourquoi le refroidissement liquide surpasse le refroidissement par air pour les IGBT

Le refroidissement liquide s'impose pour deux raisons principales : sa capacité d'évacuation de la chaleur et l'uniformité de sa température. Les liquides transportant beaucoup plus de chaleur par unité de volume que l'air, une plaque froide compacte peut gérer des flux thermiques qu'un dissipateur à ailettes ne peut supporter. Des plaques froides à mini-canaux, validées par des pairs, ont été testées avec de l'eau déminéralisée à des flux thermiques de l'ordre de quelques centaines de watts par centimètre carré. Un flux constant de fluide de refroidissement maintient également une température plus stable et plus homogène qu'un flux d'air turbulent, ce qui réduit les gradients de température entre modules, sources de contraintes thermiques dans les empilements multi-modules.

Les gains en capacité et en uniformité sont assortis de conditions. Le refroidissement liquide ajoute une pompe, un fluide, des joints et un étage de dissipation thermique, et il présente des risques de défaillance qu'un dissipateur thermique à air ne connaît pas : fuites, corrosion et obstruction du flux. Un seuil de densité de puissance détermine la décision : dès que le refroidissement par air ne permet plus de maintenir la température cible dans les limites de volume et de bruit disponibles, un système de refroidissement liquide devient nécessaire. La plaque froide liquide surpasse le refroidissement par air traditionnel pour cette tâche.

Choix d'un liquide de refroidissement pour le refroidissement liquide des IGBT

Aucun liquide de refroidissement ne présente simultanément les avantages du transfert de chaleur, de la protection contre le gel, de la compatibilité avec les matériaux et du coût. Les principales options se répartissent clairement :

• L'eau, grâce à sa capacité thermique massique élevée et sa faible viscosité, est un excellent conducteur de chaleur. Son utilisation est toutefois limitée par sa qualité, sa plage de températures, sa compatibilité avec les matériaux, sa conductivité électrique et le système anticorrosion mis en place. Elle peut en outre corroder les métaux non protégés.
• Eau-glycol (éthylène glycol ou propylène glycol) : ajoute une protection contre le gel et des inhibiteurs de corrosion pour une utilisation à froid ou en extérieur, au prix d'une conductivité thermique plus faible et d'une viscosité plus élevée, ce qui augmente la demande de pompage.
• Fluides diélectriques techniques : offrent une non-conductivité ou une résistance au feu pour les conceptions exigeantes ou à contact direct, à un coût plus élevé et avec des exigences spécifiques de manipulation et d’élimination.

Choisissez le fluide en fonction de l'environnement et des métaux présents dans le circuit, et non uniquement de sa conductivité. Un mélange de glycol conçu pour résister à l'hiver dans un parking peut nécessiter une pompe plus puissante ou une entrée d'eau plus froide pour atteindre la même température que l'eau. liquide de refroidissement approprié Il s'agit d'une décision systémique, validée en fonction du débit, des matériaux et des conditions climatiques les plus froides et les plus chaudes prévues.

Variables de conception de la plaque froide qui déterminent la température de l'IGBT

Cinq variables de la plaque froide déterminent la température de jonction des IGBT : le débit, la géométrie des canaux, la perte de charge, le matériau et l’interface du module. Le débit et la géométrie des canaux définissent le coefficient de transfert thermique. Augmenter le débit ou utiliser des canaux plus fins accroît la surface mouillée et la turbulence, ce qui diminue la résistance thermique mais augmente également la perte de charge et la puissance de la pompe. La conception doit donc trouver un équilibre entre refroidissement et consommation d’énergie. Des études menées par l’industrie et les fabricants indiquent qu’une structure spécifique de refroidissement direct par liquide – une plaque froide à microcanaux collée près du substrat du module – peut réduire la résistance thermique d’environ 30% par rapport à une configuration conventionnelle. Le gain dépend de l’interface et de la disposition des canaux. Le motif des canaux est également important : les canaux en serpentin favorisent une température plus uniforme malgré une perte de charge plus élevée, tandis que les canaux parallèles réduisent la perte de charge mais nécessitent une distribution soignée afin d’éviter le sous-refroidissement des canaux en aval.

L'interface est la variable la plus souvent sous-estimée. La planéité de la plaque de base, la pression de montage et le matériau d'interface thermique entre le module et la plaque froide déterminent la résistance de contact, et une interface de mauvaise qualité peut anéantir les gains obtenus grâce à une conception de canal optimisée. C'est là qu'intervient une interface adaptée. plaque froide liquide et le matériau d'interface thermique contribuent à : la plaque assure l'évacuation de la chaleur en grande quantité tandis que la couche d'interface absorbe les défauts de planéité et les tolérances d'assemblage. Spécifiez le conception d'une plaque froide et l'interface ensemble, puis valider avec CFD et une mesure sur banc d'essai afin qu'une cible de résistance thermique nominale devienne une cible reproductible sur la ligne.

Conclusion

Le refroidissement liquide d'un IGBT repose sur une optimisation des ressources tout au long du trajet jonction-fluide, et non sur un composant unique et performant. Commencez par le facteur de marche : déterminez la perte maximale et la température du boîtier à maintenir pour protéger la jonction. Dimensionnez ensuite le système d'évacuation de la chaleur (fluide, débit et conception des canaux), puis considérez l'interface module-plaque comme une variable primordiale, car la résistance de contact peut compromettre l'efficacité d'une conception de plaque froide performante.

La validation doit être effectuée au niveau de la jonction, et non uniquement au niveau du boîtier. Mesurez la température du boîtier, puis utilisez l'impédance thermique jonction-boîtier et transitoire indiquée dans la fiche technique du composant pour estimer ou mesurer la jonction dans les conditions de pertes les plus défavorables. Vérifiez également le débit, la température d'entrée, la perte de charge, l'uniformité de la température et les conditions de fonctionnement anormales ; les limites applicables sont indiquées dans la fiche technique du module cible. Pour ce chemin thermique, les familles de produits pertinentes Trumonytechs comprennent des plaques froides liquides et des matériaux d'interface thermique, adaptés à l'encombrement du module et à l'interface qui détermine la résistance de contact.

FAQ

Pour en savoir plus

• Optimisation des performances thermiques d'une plaque de refroidissement à microcanaux intégrée pour module de puissance IGBT (Micromachines, 2023) — Étude évaluée par des pairs sur la façon dont la géométrie des microcanaux influence la température de jonction des IGBT ; soutient les variables de conception de la plaque froide évoquées ci-dessus.
• Transfert de chaleur transitoire dans un dissipateur thermique à plaque plane à mini-canaux pour IGBT à flux thermique élevé (Micromachines, 2022) — données évaluées par des pairs sur la capacité de flux thermique et les objectifs de température du boîtier pour les IGBT refroidis par liquide.
• Conception et analyse de la structure de dissipation thermique des IGBT (Entropie, 2020) — Analyse évaluée par des pairs d'une structure de dissipation de chaleur d'un IGBT et d'une décomposition de la résistance thermique, utile pour lire le chemin jonction-fluide de refroidissement.

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