액체 기술을 이용한 IGBT 냉각: 전자 효율성 향상

액체 냉각 방식은 실리콘 접합부에서 발생한 열을 모듈 베이스플레이트와 열 인터페이스 층을 거쳐 콜드 플레이트와 냉각 루프로 전달하여 IGBT의 열을 관리합니다. 이 모든 과정을 하나로 묶는 핵심 제약 조건은 접합부 온도입니다. 접합부 온도는 안전 작동 영역, 과도 열 임피던스, 소자의 전기적 정격과 함께 사용 가능한 전력 밀도를 제한하는 주요 요인 중 하나입니다. 접합부 온도를 설계 마진 내로 유지하면 모듈은 안정적으로 스위칭되지만, 온도가 상승하면 손실, 열 스트레스, 노화가 증가합니다. 전기차 구동 인버터, 에너지 저장 컨버터, 산업용 드라이브의 경우, 공랭식 냉각은 모듈보다 먼저 마진이 부족해지는 경우가 많습니다. 이러한 상황에서 잘 설계된 액체 냉각 루프가 중요한 역할을 합니다.

이 문서의 대상 독자는 IGBT에 액체 냉각이 필요한지 여부와, 필요하다면 어떤 콜드 플레이트 및 냉각수 변수가 결과에 영향을 미치는지 결정하는 전력 전자 및 배터리 팩 열 엔지니어입니다. 따라서 범위는 냉각 문제에 국한됩니다. 인버터 크기 조정, 게이트 드라이브 설계 및 팩 전기 회로 배치는 범위 밖입니다.

IGBT 모듈이 열을 발생시키는 이유는 무엇일까요?

IGBT 내부에서 열을 발생시키는 두 가지 손실 메커니즘은 전도 손실과 스위칭 손실입니다. 전도 손실은 소자가 컬렉터와 이미터 사이에서 전류를 흘릴 때 발생하며, 이때 온 상태 전압 강하와 전류의 곱이 칩 내부에서 열로 변환됩니다. 스위칭 손실은 각 온/오프 전환 시 전압과 전류가 순간적으로 겹치면서 저장된 에너지가 열 펄스로 방출될 때 발생합니다. 두 손실 모두 동작점에 비례합니다. 스위칭 주파수, 버스 전압 또는 부하 전류가 증가하면 전체 손실도 함께 증가합니다.

실질적인 결과는 냉각 성능이 데이터시트의 헤드라인이 아닌 실제 작동 환경에 따라 달라진다는 것입니다. 스위칭 주파수가 높을수록 일반적으로 스위칭 손실이 증가하므로, 안정적인 산업용 드라이브에서 낮은 온도를 유지하는 모듈도 동일한 전류에서 급격한 과도 구동 부하에서는 과열될 수 있습니다. 사양을 명확히 하십시오. 열 관리 명판에 표시된 정격 용량이 아니라 실제 사용 주기와 관련이 있습니다.

과열이 IGBT 성능과 수명을 제한하는 방식

접합부를 정격 한계 이상으로 가열하면 열 응력, 손실 증가, 노화 가속화라는 세 가지 문제가 동시에 발생합니다. 열 응력은 패키지 내 재질 불일치 부위에 축적되어 시간이 지남에 따라 본드 와이어 피로, 솔더 접합부 균열, 기판 박리로 나타납니다. 손실은 온도가 상승함에 따라 온 상태 전압 강하가 증가하기 때문에 발생합니다. 노화는 대부분의 전력 모듈 고장 메커니즘이 온도에 크게 의존하기 때문에 가속화됩니다. 평균 접합부 온도가 높고 열 사이클이 클수록 특정 고장 모드가 더 빨리 발생합니다. 실제 수명은 사용 환경, 열 사이클 강도, 모듈 자체의 수명 모델에 따라 달라집니다.

접합부 온도와 열 저항은 IEC 60747-9 및 IEC 60747-15에 따라 정의되고 측정되며, 이 규격들은 접합부-케이스 및 케이스-방열판 저항의 특성 측정 방법을 명시하고 있습니다. 한 미니채널 냉각판 연구에서는 모듈 케이스 온도를 약 100°C 이하로 유지하여 시험대에서 접합부 온도 제한을 125°C로 설정했습니다. 하지만 이는 특정 연구의 제약 조건일 뿐, 보편적인 수치로 간주해서는 안 됩니다. 적용 가능한 케이스 및 접합부 온도 제한은 해당 모듈의 데이터시트에서 확인해야 하며, 일반적인 실리콘 IGBT 접합부 온도 제한은 125~150°C 정도입니다.

IGBT용 액체 냉각 루프 구성 요소

네 가지 구성 요소가 IGBT 모듈에서 발생하는 열을 주변 환경으로 전달하며, 각 구성 요소는 고려해야 할 열 저항을 추가합니다.

• 냉각판: 모듈 베이스 플레이트 근처에 볼트로 고정하거나 접착제로 부착합니다. 냉각판의 채널 설계와 접촉 품질이 냉각재에 전달되는 열의 양을 좌우합니다.
• 냉각수: 냉각판에서 열을 흡수하여 외부로 전달하는 작동 유체.
• 펌프: 냉각 용량과 소모 전력 및 압력 강하 사이의 균형을 맞춰 루프 유량을 설정합니다.
• 원격 열교환기 또는 라디에이터: 수집된 열을 주변 공기 또는 2차 순환 루프로 방출합니다.

접합부에서 냉각수까지의 경로는 일련의 저항으로 이루어져 있습니다. 모듈 내부의 접합부에서 케이스까지의 저항, 인터페이스를 가로지르는 케이스에서 콜드 플레이트까지의 저항, 그리고 콜드 플레이트에서 유체까지의 저항입니다. 기존 설계에서는 냉각수가 모듈 베이스 플레이트에 닿지 않습니다. 냉각수는 콜드 플레이트 내부 채널을 통해 흐르면서 플레이트 벽과 인터페이스를 가로질러 열을 끌어냅니다. 액체 냉각은 대부분의 시스템 통합업체에게 있어 영향을 줄 수 있는 부분, 즉 인터페이스와 콜드 플레이트 쪽의 온도를 낮추는 데 가장 효과적입니다. 이러한 저항 분배를 이해하는 것이 중요합니다. 방열판과 냉각판 이는 마진이 어디에서 발생하는지 결정하는 첫 번째 단계입니다.

IGBT 냉각에 있어 액체 냉각이 공랭식보다 나은 경우

액체 냉각은 뛰어난 열 제거 능력과 균일한 온도 유지라는 두 가지 측면에서 그 가치를 인정받고 있습니다. 액체는 공기보다 단위 부피당 훨씬 더 많은 열을 전달할 수 있기 때문에, 소형 냉각판은 핀형 공기 냉각판으로는 처리할 수 없는 높은 열유속을 견딜 수 있습니다. 동료 평가를 거친 미니 채널 냉각판은 탈이온수를 사용하여 제곱센티미터당 수백 와트 수준의 열유속에서 테스트를 거쳤습니다. 또한, 안정적인 냉각수 흐름은 난류 공기보다 더 균일한 온도 분포를 유지하여, 다중 모듈 스택에서 열 응력을 유발하는 모듈 간 온도 구배를 줄여줍니다.

용량 및 균일성 향상은 특정 조건에 따라 이루어집니다. 액체 냉각 방식은 펌프, 냉각수, 밀봉 장치 및 열 방출 단계를 추가하며, 공기 냉각 방식에는 없는 누수, 부식 및 유동 막힘과 같은 고장 가능성을 내포합니다. 전력 밀도 임계값이 냉각 방식 선택의 기준이 됩니다. 사용 가능한 부피 및 소음 허용 범위 내에서 공기 냉각 방식으로는 케이스의 온도를 목표치 이하로 유지할 수 없는 경우, 액체 냉각 방식을 고려해야 합니다. 액체 냉각판은 기존 공랭식 냉각 방식보다 성능이 뛰어납니다. 그 임무를 위해.

IGBT 액체 냉각용 냉각수 선택하기

열 전달, 동결 방지, 재료 호환성 및 비용 측면에서 모든 면에서 한 번에 탁월한 냉각제는 없습니다. 주요 옵션은 다음과 같이 명확하게 나뉩니다.

• 물은 일반적으로 비열이 높고 점도가 낮아 열 전달이 뛰어납니다. 하지만 물의 적합성은 수질, 온도 범위, 재료와의 호환성, 전기 전도성, 부식 방지 방식 등에 따라 제한되며, 보호 처리가 되지 않은 금속을 부식시킬 수도 있습니다.
• 물-글리콜(에틸렌 또는 프로필렌 글리콜): 저온 또는 옥외 환경에서 동결 방지 및 부식 방지 기능을 제공하지만, 열전도율이 낮고 점도가 높아 펌핑 요구량이 증가합니다.
• 특수 설계된 절연 유체: 높은 비용과 특정 취급 및 폐기 요건을 충족해야 하지만, 까다로운 설계 또는 직접 접촉 설계에 필요한 비전도성 또는 내화성을 제공합니다.

유체를 선택할 때는 단순히 전도율 수치만 고려하지 말고 주변 환경과 루프 내 금속 재질을 고려해야 합니다. 겨울철 주차장에서 사용할 수 있는 글리콜 혼합물은 물과 동일한 케이스 온도에 도달하기 위해 더 큰 펌프나 더 차가운 유입구가 필요할 수 있습니다. 따라서 유체를 선택할 때는 환경과 루프 내 금속 재질을 고려해야 합니다. 적절한 냉각액 이는 유량, 재료, 예상되는 최저 및 최고 온도 조건을 기준으로 검증된 시스템 결정입니다.

IGBT 온도를 결정하는 냉각판 설계 변수

냉각판의 IGBT 접합 온도는 유량, 채널 형상, 압력 강하, 재질, 모듈 인터페이스 등 다섯 가지 변수에 의해 결정됩니다. 유량과 채널 형상은 열전달 계수를 결정합니다. 유량을 높이거나 미세 채널을 사용하면 접촉 면적과 난류가 증가하여 열 저항은 감소하지만 압력 강하와 펌프 동력은 증가하므로 설계 시 냉각 효율과 에너지 손실 사이의 균형을 고려해야 합니다. 업계 및 제조업체 연구에 따르면 모듈 기판에 가깝게 접합된 마이크로채널 냉각판과 같은 특정 직접 액체 냉각 구조는 기존 방식 대비 열 저항을 약 30%까지 줄일 수 있습니다. 이러한 효율 향상은 인터페이스와 채널 배치에 따라 달라집니다. 채널 패턴 또한 중요한데, 구불구불한 경로는 높은 압력 강하에서 균일한 온도 유지를 가능하게 하는 반면, 평행 경로는 압력 강하를 줄이지만 하류 채널의 냉각 부족 현상을 방지하기 위해 채널 배치에 신중을 기해야 합니다.

인터페이스는 가장 흔히 과소평가되는 변수입니다. 베이스플레이트의 평탄도, 장착 압력, 그리고 모듈과 콜드플레이트 사이의 열 인터페이스 재료는 접촉 저항을 좌우하며, 인터페이스가 불량하면 우수한 채널 설계로 얻은 이점을 잃을 수 있습니다. 바로 이 지점에서 정합된 인터페이스가 중요한 역할을 합니다. 액체 냉각판 열 인터페이스 재료의 도움: 플레이트는 주요 열 제거를 담당하고 인터페이스 층은 평탄도 및 조립 공차를 흡수합니다. 사양을 명시하십시오. 냉각판 디자인 인터페이스를 함께 구성한 다음 CFD 및 벤치 측정으로 검증하여 명목상의 열 저항 목표값을 생산 라인에서 반복 가능한 값으로 만듭니다.

결론

IGBT 액체 냉각은 단일 부품 하나에 모든 것을 걸 수 있는 것이 아니라, 접합부에서 냉각수까지의 경로를 따라 예산을 효율적으로 관리하는 작업입니다. 먼저 작동 주기를 고려하여 최악의 경우 손실과 접합부 한계를 보호하기 위해 유지해야 하는 케이스 온도를 결정해야 합니다. 다음으로 열 제거 측면, 즉 냉각수, 유량 및 채널 설계를 설계하고, 모듈과 플레이트 사이의 접촉면을 중요한 변수로 고려해야 합니다. 접촉 저항은 아무리 우수한 냉각판 설계라도 예상치 못한 문제를 야기할 수 있기 때문입니다.

검증은 케이스뿐 아니라 접합부까지 철저히 확인해야 합니다. 케이스 온도를 측정한 후, 디바이스 데이터시트에 명시된 접합부-케이스 간 열 임피던스 및 과도 열 임피던스를 사용하여 최악의 손실 조건에서 접합부의 열 임피던스를 추정하거나 측정하십시오. 또한 유량, 입구 온도, 압력 강하, 온도 균일성 및 비정상 작동 조건도 확인해야 합니다. 적용 가능한 제한값은 대상 모듈의 데이터시트에 나와 있습니다. 이 열 경로에 적합한 제품군은 모듈 크기와 접촉 저항을 결정하는 인터페이스에 맞춰 설계된 액체 냉각판 및 열 인터페이스 재료입니다.

자주 묻는 질문

추가 자료

• IGBT 전력 모듈용 통합 마이크로채널 냉각판의 열 성능 최적화 (마이크로머신즈, 2023) — 마이크로채널 형상이 IGBT 접합 온도에 미치는 영향에 대한 동료 검토 연구; 위에서 논의된 냉각판 설계 변수를 뒷받침합니다.
• 고열유속 IGBT용 미니채널 평판형 방열판의 과도 열전달 (마이크로머신, 2022) — 액체 냉각식 IGBT의 열유속 용량 및 케이스 온도 목표에 대한 동료 검토 데이터.
• IGBT 열 방출 구조의 설계 및 분석 (엔트로피, 2020) — IGBT 열 방출 구조 및 열 저항 분해에 대한 동료 검토를 거친 분석으로, 접합부에서 냉각수까지의 경로를 파악하는 데 유용합니다.

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• 액체 냉각판의 기본 원리 — 액체 냉각 루프 중앙에 있는 냉각판의 작동 원리.