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什么是IGBT的热管理?

IGBT模块是一种功率器件,具有驱动电压低、功率处理能力强、开关频率高等优点。但它也不能与热特性分开。功率半导体模块的弱点是过电压和过热。如果这种热量得不到有效管理,可能会导致设备故障、效率降低和寿命缩短。只有准确地设计器件和系统的热特性,才能确保器件的长期可靠运行,并充分挖掘其潜力,这就是IGBT的热管理。


IGBT的持续小型化和快速增长的额定功率具有显著的高热通量,这需要复杂的热管理。


技术和商业趋势

对于模块而言,IGBT散热技术主要围绕封装和连接迭代展开。模块封装和连接技术始终围绕着基板、DBC板、焊接、装订线和散热结构的不断优化。


芯片间连接方式:铝线/条→铜线→扁平连接


散热结构:单面间接散热→单面直接水冷→双面水冷结构。


DBC板和衬底:材料迭代,从A1203→AIN→Si3N4,衬底材料将从Cu迭代到A1SiC。


迈泰IGBT热管理解决方案
风冷

空气冷却包括自然冷却和强迫空气冷却两种。


自然冷却的机理是: 在工作过程中元器件的温度会升高,与其周围环境之间产生温度差,因此元器件与环境之间开始自发的进行热交换。这一过程不需要借助额外的能量和动力就能自发的进行,自然冷却方式不需要设计冷却辅助设备,直接借助外部温度较低的空气冷却,因此其耗能小、可靠性高、噪音低。但此方案在大功率散热场景下受限。


强迫空气冷却的机理是: 借助外部辅助设备( 比如风扇) 的作用,使热源周围的空气产生强迫对流,从而带走元器件产生的热量。强迫风冷方式的优点是散热设备简单实用,制造价格低廉,是目前风电变流器冷却中应用较多的一种冷却方式。但此方案在大功率散热、低噪声场景下受限。


液冷

间接液体冷却: 间接液体冷却是指发热的元器件与冷却液不直接接触传热,而是借助“冷板”以间接的方式进行热交换。间接液体冷却具有诸多明显的优点,如设备简易、结构紧凑、维修方便,对变流器 IGBT 模块无污染,并且工作过程中产生的噪音很小。


热管散热

热管是一种高效的换热元器件,其工作机理是: 在封闭的管壳内部填充工作介质,介质在相变过程中会通过吸热和放热的方式进行热交换。热管由高导热材料制成,因此,其有超导热体之称,相比于导热性能良好的金属导体,热管的导热系数要比后者大近百倍。热管的优点包括: 良好的导热性、优异的等温性以及环境适应性。但是其一般用在需要远距离转移热量或者均温的场合,难以满足大功率风电变流器的散热要求。


IGBT散热工作原理
热传导和热辐射

当IGBT功率器件工作时,由于导通状态损耗和开关损耗而产生大量热量。散热路径从上到下依次为:芯片→陶瓷覆铜板→基板→散热器。最后,通过主动或被动散热,散热器和空气通过对流和辐射传热带走热量。


热阻优化

整个传导过程中都存在热阻,这是影响IGBT功率模块散热的主要因素。为了提高散热效果,降低热阻是最重要的方法。