A folyadékhűtés az IGBT hőjét a szilícium-átmenettől a modul alaplapján és egy hővezető rétegen keresztül egy hideg lemezre és a hűtőfolyadék-hurokba szállítja. Az átmenet hőmérséklete az a korlátozó tényező, amely összeköti ezt az utat. Ez az egyik fő korlátja a használható teljesítménysűrűségnek, a biztonságos működési terület, a tranziens hőimpedancia és az eszköz elektromos névleges értékei mellett. Hagyja az átmenetet a tervezési határán belül, és a modul megbízhatóan kapcsol; hagyja, hogy emelkedjen, és a veszteségek, a hőfeszültség és az öregedés vele együtt növekedjenek. Az elektromos járművek vontatási inverterei, energiatároló konverterei és ipari hajtásai esetében a léghűtés gyakran hamarabb fogy ki, mint a modul. Egy jól megtervezett folyadékhurok kiérdemli a helyét itt.
A célközönség itt teljesítményelektronikai és akkumulátorcsomag-hőmérnökökből áll, akik eldöntik, hogy egy IGBT-nek szüksége van-e folyadékhűtésre, és ha igen, mely hűtőlemez- és hűtőfolyadék-változók határozzák meg az eredményt. A vizsgálat középpontjában a hűtési probléma áll. Az inverter méretezésére, a kapumeghajtás kialakítására és az akkumulátorcsomag elektromos elrendezésére nem tér ki a téma.
Miért termelnek hőt az IGBT modulok?
Két veszteségi mechanizmus termeli a hőt az IGBT-ben: a vezetési veszteség és a kapcsolási veszteség. A vezetési veszteség akkor jelentkezik, amikor az eszköz áramot vezet a kollektor és az emitter között, ahol a bekapcsolt állapotú feszültségesés szorzata az árammal hővé válik a chipben. Kapcsolási veszteség minden be/ki átmenet során megjelenik, amikor a feszültség és az áram rövid ideig átfedi egymást, és a tárolt energia hőimpulzusként szabadul fel. Mindkettő a munkaponttal skálázódik. Növeljük a kapcsolási frekvenciát, a buszfeszültséget vagy a terhelési áramot, és a teljes veszteség ezzel együtt nő.
A gyakorlati következmény az, hogy a hűtési igény a küldetési profilt követi, nem pedig az adatlap címét. A magasabb kapcsolási frekvencia általában növeli a kapcsolási veszteséget, így egy olyan modul, amely hideg marad egy állandó ipari hajtásban, felmelegedhet egy gyors tranziens vontatási igény mellett azonos áramerősség mellett. hőgazdálkodás a valós kitöltési tényezőhöz képest, egyetlen névleges érték sem.
Hogyan korlátozza a túlmelegedés az IGBT teljesítményét és élettartamát?
Ha a csomópontot túllépik a névleges határértékén, három probléma együttesen jelentkezik: hőfeszültség, nagyobb veszteségek és gyorsabb öregedés. A hőfeszültség a tokozásban lévő nem illeszkedő anyagokon keresztül keletkezik, és idővel kötési vezeték kifáradásaként, forrasztási repedésként és szubsztrát delaminációként jelenik meg. A veszteségek azért nőnek, mert a bekapcsolt állapotú feszültségesés a hőmérséklettel együtt növekszik. Az öregedés felgyorsul, mert a legtöbb teljesítménymodul meghibásodási mechanizmusa erősen hőmérsékletfüggő: a magasabb átlagos csomópont-hőmérséklet és a nagyobb hőciklusok általában felgyorsítják az egyes meghibásodási módokat. A tényleges élettartam továbbra is a küldetési profiltól, a hőciklus amplitúdójától és a modul saját élettartam-modelljétől függ.
A csatlakozási hőmérsékletet és a hőellenállást az IEC 60747-9 és az IEC 60747-15 szabványok határozzák meg és mérik, amelyek előírják, hogyan jellemzik a csatlakozás-ház és a csatlakozás-nyelő ellenállásokat. Egy publikált mini-csatornás hideglemezes vizsgálatban a modul burkolatát körülbelül 100 °C alatt tartották, hogy megvédjék a tesztpadon a 125 °C-os csatlakozási határértéket. Ezt egyetlen vizsgálat korlátjaként kezeljük, ne univerzális számként. Az alkalmazandó burkolat- és csatlakozási határértékeket a célmodul adatlapjából kell származtatni; a tipikus szilícium IGBT csatlakozási határértékek 125–150 °C körül vannak.
Mit tartalmaz egy IGBT-khez való folyadékhűtési hurok?
Négy alkatrész szállítja az IGBT hőt a modulból a környezeti hőmérsékletre, és mindegyik hozzáad egy olyan hőellenállást, amelyet figyelembe kell venni:
- Hideglemez: a modul alaplemezéhez közel csavarozott vagy ragasztott; a csatorna kialakítása és az érintkezési minősége határozza meg, hogy mennyi hő jut el a hűtőfolyadékhoz.
- Hűtőfolyadék: az a munkaközeg, amely elnyeli a hőt a hideg lemeznél, és elvezeti azt.
- Szivattyú: beállítja a hurok áramlási sebességét, a hűtőkapacitást a parazita teljesítmény és a nyomásesés ellenében cserélve.
- Távoli hőcserélő vagy radiátor: a begyűjtött hőt a környezeti levegőbe vagy egy másodlagos hurokba vezeti.
A csatlakozástól a hűtőközegig vezető út ellenállások sorozata: csatlakozástól a modulon belüli házig, háztól a hideg lemezig a határfelületen keresztül, valamint hideg lemeztől a folyadékig. Hagyományos kialakításban a hűtőközeg nem érintkezik a modul alaplapjával. A hideg lemez belső csatornáin keresztül áramlik, és a hőt a lemez falán és a határfelületen keresztül húzza. A folyadékhűtés ott segít a legjobban, ahol lejjebb viszi a befolyásolható szegmenst, ami a legtöbb integrátor esetében a határfelület és a hideg lemez oldala. Ismerve a ... közötti különbséget hűtőborda és egy hideglap az első lépés annak eldöntésében, hogy honnan származik a különbözet.
Ahol a folyadékhűtés jobb, mint az IGBT-k léghűtése
A folyadékhűtés két szempontból is hasznos: a hőelvonási kapacitás és a hőmérséklet-egyenletesség terén. Mivel a folyadékok térfogategységre vetítve sokkal több hőt szállítanak, mint a levegő, egy kompakt hűtőlemez olyan hőáramokat képes kezelni, amelyekre egy bordázott levegőelnyelő nem képes. A szakértők által lektorált minicsatornás hideglemezeket néhány száz watt/négyzetcentiméter nagyságrendű hőárammal tesztelték ioncserélt vízzel. Az állandó hűtőfolyadék-áram szorosabb, egyenletesebb hőmérsékletet is tart, mint a turbulens levegő, ami csökkenti a modulok közötti gradienseket, amelyek a többmodulos rendszerekben hőfeszültséget okoznak.
A kapacitás és az egyenletesség javulása feltételekkel jár. A folyadékhűtés szivattyút, folyadékot, tömítéseket és hőelvezető fokozatot ad hozzá, és olyan meghibásodási módokat hoz létre, amelyekkel a légelnyelő nem rendelkezik: szivárgások, korrózió és áramlási elzáródás. A teljesítménysűrűség-küszöb határozza meg a döntést: amint a léghűtés nem tudja a házat a célérték alatt tartani a rendelkezésre álló térfogat- és zajkereten belül, egy A folyékony hűtőlemez felülmúlja a hagyományos léghűtést azért a kötelességért.
Hűtőfolyadék kiválasztása IGBT folyadékhűtéshez
Egyetlen hűtőfolyadék sem nyer egyszerre a hőátadás, a fagyvédelem, az anyagkompatibilitás és a költség tekintetében. A főbb lehetőségek egyértelműen megoszlanak:
- Víz: jellemzően magas fajhővel és alacsony viszkozitással rendelkezik, így jól vezeti a hőt. Alkalmasságát a vízminőség, a hőmérséklet-tartomány, az anyagkompatibilitás, az elektromos vezetőképesség és a korróziógátló rendszer korlátozza, és védtelen fémeket is korrodálhat.
- Víz-glikol (etilén- vagy propilénglikol): fagyvédelmet és korróziógátlókat biztosít hideg vagy kültéri használatra, alacsonyabb hővezető képesség és magasabb viszkozitás rovására, ami növeli a szivattyúzási igényt.
- Mesterséges dielektromos folyadékok: nem vezetőképesek vagy tűzállóak igényes vagy közvetlen érintkezésű kialakításokhoz, magasabb költségekkel és speciális kezelési és ártalmatlanítási követelményekkel.
A folyadékot a környezethez és a körben lévő fémekhez kell igazítani, ne csak a vezetőképességi értékhez. Egy olyan glikolkeverékhez, amely kibírja a téli parkolóban fellépő problémákat, nagyobb szivattyúra vagy hidegebb bemenetre lehet szükség ahhoz, hogy elérje a vízével megegyező házhőmérsékletet. A jobb hűtőfolyadék egy rendszerdöntés, amelyet az áramlási sebesség, az anyagok, valamint a várható leghidegebb és legmelegebb körülmények alapján validáltak.
Hideglemez-tervezési változók, amelyek beállítják az IGBT hőmérsékletét
Öt hűtőlemez-változó határozza meg az IGBT-átmenet hőmérsékletét: az áramlási sebesség, a csatorna geometriája, a nyomásesés, az anyag és a modul csatlakozófelülete. Az áramlási sebesség és a csatorna geometriája határozza meg a hőátadási együtthatót. Az áramlás növelése vagy finomabb csatornák használata növeli a nedvesített területet és a turbulenciát, ami csökkenti a hőellenállást, de egyben növeli a nyomásesést és a szivattyú teljesítményét is, így a kialakítás egyensúlyt teremt a hűtés és a parazita energia között. Az ipari és gyártói tanulmányok arról számolnak be, hogy egy speciális közvetlen folyadékhűtéses szerkezet – egy mikrocsatornás hűtőlemez, amely a modul aljzatához közel van rögzítve – nagyjából 30%-val csökkentheti a hőellenállást egy hagyományos konfigurációhoz képest. A nyereség a csatlakozófelülettől és a csatorna elrendezésétől függ. A csatornamintázat is számít: a kígyózó útvonalak egyenletesebb hőmérsékletet biztosítanak nagyobb nyomásesésnél, míg a párhuzamos útvonalak csökkentik a nyomásesést, de gondos elosztást igényelnek, hogy a downstream csatornák ne legyenek kimerülve.
Az interfész a leggyakrabban alábecsült változó. Az alaplap síklapúsága, a szerelési nyomás, valamint a modul és a hideglemez közötti hővezető anyag befolyásolja az érintkezési ellenállást, és egy rossz interfész elpazarolhatja a jó csatornatervezéssel elért eredményeket. Itt jön létre egy illesztett folyékony hidegtányér és a hővezető réteg anyaga segít: a lemez kezeli a tömeges hőelvezetést, míg a vezető réteg elnyeli a síkfelületet és az összeszerelési tűréshatárokat. Adja meg a hideglemez-kialakítás és az interfészt együtt, majd CFD-vel és padméréssel validálják, hogy a névleges hőellenállási cél megismételhető legyen a gyártósoron.
Következtetés
Egy IGBT folyadékhűtése egy költségvetési feladat a csatlakozási ponttól a hűtőközegig vezető útvonalon, nem pedig egyetlen okos alkatrész. Kezdjük a kitöltési tényezővel: határozzuk meg a legrosszabb eseti veszteséget és a ház hőmérsékletét, amelyet a csatlakozási pont határértékének védelme érdekében tartanunk kell. Ezután méretezzük a hőelvonási oldalt – hűtőközeg, áramlás és csatorna kialakítása –, majd a modul-lemez interfészt kezeljük első osztályú változóként, mivel az érintkezési ellenállás csendben tönkreteheti a stabil hideglemez kialakítást.
A validációnak a csatlakozási ponton kell lezárulnia, nem csak a házon. Mérje meg a ház hőmérsékletét, majd az eszköz adatlapjában található csatlakozási pontok közötti és tranziens hőimpedancia alapján becsülje meg vagy mérje meg a csatlakozási pontot a legrosszabb eseti veszteség esetén. Ellenőrizze az áramlási sebességet, a bemeneti hőmérsékletet, a nyomásesést, a hőmérséklet egyenletességét és az abnormális üzemi körülményeket is; az alkalmazandó határértékek a célmodul adatlapjából származnak. Ennél a hőútvonalnál az Trumonytechs releváns termékcsaládjai folyékony hideglemezek és hővezető anyagok, amelyek illeszkednek a modul méretéhez és az érintkezési ellenállást beállító csatlakozófelülethez.
GYIK
A folyadékhűtés minden IGBT modellel kompatibilis?
A folyadékhűtés a legtöbb IGBT modulhoz alkalmazható, de a hűtőlemez kialakításának meg kell egyeznie a modul méretével, alaplapjával és teljesítményével. Egy alacsony fogyasztású modul enyhe környezetben esetleg nem igényel rá lehetőséget, míg egy nagyfrekvenciás vontatási modulhoz mikrocsatornás lemezre és hangolt interfészre lehet szükség. Mielőtt feltételeznénk, hogy egy szabványos lemez illeszkedik, ellenőrizzük az alaplap méreteit, a rögzítési mintát és a célzott házhőmérsékletet.
Hogyan válasszak hűtőfolyadékot egy IGBT hűtőlemezhez?
A hűtőközeg kiválasztása a környezetet és a hűtőkör anyagait követi, nem csak a hővezető képességet. A sima víz jól hűt ott, ahol a fagyás nem jelent kockázatot, és a fémek védve vannak; a víz-glikol keverék fagyvédelmet biztosít nagyobb szivattyúigény esetén; a speciális dielektromos folyadékok drágábban illenek a nem vezetőképes vagy tűzérzékeny kialakításokhoz. Ellenőrizze a folyadékot a várható leghidegebb és legforróbb körülmények között.
Milyen áramlási sebességet és nyomásesést kell céloznia egy IGBT hideglapnak?
Az áramlási sebesség és a nyomásesés a hőmérsékleti célértékből következik, nem egy rögzített szabályból. Elegendő áramlásnak kell lennie ahhoz, hogy a ház hőmérsékletét a legrosszabb eseti veszteség esetén a határérték alatt tartsa, miközben a nyomásesés elég alacsony marad ahhoz, hogy a szivattyú teljesítménye és a tömítés feszültsége elfogadható szinten maradjon. Erősítse meg az egyensúlyt CFD-vel és próbapadi teszttel az adott tervhez.
Miért melegszik fel egy IGBT, még hideg lemez beszerelése esetén is?
A hideg lemez ellenére felforrósodó IGBT-nek számos lehetséges oka lehet, és a csatlakozófelület az egyik leggyakoribb. Vizsgáljuk meg ezeket tesztelhető sorrendben: hűtőfolyadék áramlási sebessége és bemeneti hőmérséklete, az érintkezőfelület (sík felület, szerelési nyomás, csatlakozófelület anyaga), bennrekedt levegő vagy csatornaelzáródás, a tényleges hőterhelés és az érzékelő kalibrálása. Ne zárjuk ki a hideg lemez oldalát az áramlás és a csatlakozófelület ellenőrzése előtt.
További olvasmányok
- Integrált mikrocsatornás hűtőlemez hőteljesítmény-optimalizálása IGBT teljesítménymodulhoz (Micromachines, 2023) — lektorált tanulmány arról, hogy a mikrocsatorna-geometria hogyan befolyásolja az IGBT-átmenet hőmérsékletét; alátámasztja a fent tárgyalt hideglemez-tervezési változókat.
- Tranziens hőátadás minicsatornás síklemezes hűtőbordában nagy hőáramú IGBT-hez (Micromachines, 2022) — szakértők által lektorált adatok a folyadékhűtéses IGBT-k hőáram-kapacitásáról és ház-hőmérséklet célértékeiről.
- Az IGBT hőelvezető struktúra tervezése és elemzése (Entropy, 2020) — egy IGBT hőelvezető szerkezet és hőellenállás-bontás szakértők által lektorált elemzése, amely hasznos a csatlakozás és a hűtőfolyadék közötti útvonal leolvasásához.
Kapcsolódó cikkek
- Az innovatív folyadékhűtési technológia szerepe az EV hatótávolság növelésében – hogyan védi a folyadékhűtés az akkumulátor hőmérsékletét az elektromos autó hatótávolságának növelése érdekében.
- Az intelligens hűtőrendszerek integrálása és optimalizálása — hogyan lehet integrálni és hangolni egy folyadékhűtéses rendszert egy teljes hőtervezési tervbe.
- Az adatközpontok hatékonyságának forradalmasítása az Trumonytechs' folyadékhűtéssel — folyadékhűtés alkalmazása nagy hősűrűségű adatközponti hardvereken.
- A folyadékhűtő lemez alapelve — a folyadékhűtő hurok közepén található hideglap működési elve.
