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und Ihre Projektvorteile zu maximieren.
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Was ist Wärme management bei IGBT?
IGBT-Module sind Leistungshalbleiter mit Vorteilen wie niedriger Ansteuerspannung, hoher Leistungsfähigkeit und hohen Schaltfrequenzen. Sie können jedoch nicht von ihren thermischen Eigenschaften getrennt betrachtet werden. Die Schwachstellen von Leistungs-Semikonduktormodulen sind Überspannungen und Überhitzung. Wenn diese Wärme nicht effektiv verwaltet wird, kann dies zu Gerätefehlern, Effizienzverlusten und verkürzter Lebensdauer führen. Nur durch präzise Gestaltung der thermischen Eigenschaften der Bauteile und Systeme kann eine langfristig zuverlässige Leistung sichergestellt und das volle Potenzial ausgeschöpft werden – das ist das Ziel des Wärmemanagements bei IGBT. Die kontinuierliche Miniaturisierung und die schnell wachsende Nennleistung von IGBTs erzeugen signifikante hohe Wärmeflüsse, die ein komplexes Wärmemanagement erfordern.
Technologische und wirtschaftliche Trends
Für Module konzentriert sich die IGBT-Wärmetechnologie hauptsächlich auf die Weiterentwicklung von Gehäusen und Verbindungen. Die Technologien für Gehäuse und Verbindungen werden ständig durch Optimierungen von Leiterplatten, DBC-Platten, Lötverbindungen, Bindelinen und Kühlsystemen verbessert.
Verbindungsmethoden zwischen Chips: Aluminiumdrähte/Bänder → Kupferdrähte → Flachverbindungen
Kühlstrukturen: Einseitige indirekte Kühlung → Einseitige direkte Flüssigkeitskühlung → Beidseitige Flüssigkeitskühlstruktur
DBC-Platten und Substrate: Materialentwicklung von Al2O3 → AlN → Si3N4, das Substratmaterial wird von Cu auf AlSiC weiterentwickelt.
Walmate
IGBT-Wärmemanagementlösungen
IGBT-Wärmemanagementlösungen
Luftkühlung
Luftkühlung umfasst natürliche Kühlung und gezwungene Luftkühlung.
Der Mechanismus der natürlichen Kühlung ist:Während des Betriebs steigt die Temperatur der Komponenten, wodurch ein Temperaturunterschied zur Umgebung entsteht, und es beginnt ein spontaner Wärmeaustausch zwischen den Komponenten und der Umgebung. Dieser Prozess erfolgt ohne zusätzliche Energie oder Antrieb, da die natürliche Kühlung direkt durch die kühlere Außenluft erfolgt. Daher ist sie energieeffizient, zuverlässig und geräuscharm. Diese Methode ist jedoch in Szenarien mit hoher Leistungskühlung begrenzt.
Der Mechanismus der erzwungenen Luftkühlung ist:Durch den Einsatz externer Hilfsgeräte (wie Lüfter) wird die Luft um die Wärmequelle herum zur erzwungenen Konvektion angeregt, um die von den Komponenten erzeugte Wärme abzuführen. Die Vorteile der erzwungenen Luftkühlung liegen in der Einfachheit und Kosteneffizienz der Kühlgeräte. Sie ist eine häufig angewendete Kühlmethode bei Windkraftumrichtern. Allerdings ist diese Methode in Szenarien mit hoher Leistungskühlung und geringem Geräuschpegel eingeschränkt.
Flüssigkeitskühlung
Indirekte Flüssigkeitskühlung:Indirekte Flüssigkeitskühlung bedeutet, dass die erhitzten Komponenten nicht direkt mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommen, sondern durch eine „Kühlplatte“ indirekt Wärme austauschen. Die indirekte Flüssigkeitskühlung bietet viele offensichtliche Vorteile, wie z. B. einfache Geräte, kompakte Bauweise, einfache Wartung, keine Verschmutzung der Wechselrichter-IGBT-Module und sehr geringe Geräuschentwicklung im Betrieb.
Wärmerohrkühlung
Ein Wärmerohr ist ein hocheffizientes Wärmeaustauschbauteil, dessen Arbeitsprinzip wie folgt ist:In einem geschlossenen Rohrgehäuse ist ein Arbeitsmedium enthalten, das während des Phasenwechsels durch Wärmeaufnahme und -abgabe Wärme austauscht. Wärmerohre bestehen aus hochwärmeleitenden Materialien und werden daher als Super-Wärmeleiter bezeichnet. Im Vergleich zu gut wärmeleitenden Metallleitern hat ein Wärmerohr eine etwa hundertmal höhere Wärmeleitfähigkeit.
Zu den Vorteilen von Wärmerohren gehören:Gute Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Isothermie und Umweltanpassungsfähigkeit. Es wird jedoch im Allgemeinen in der Gelegenheit verwendet, bei der Wärmeübertragung oder durchschnittliche Temperatur erforderlich ist, und es ist schwierig, die Anforderungen an Hochleistungs-Windkraftumwandler für die Wärmeableitung zu erfüllen.
Funktionsprinzip der IGBT-Kühlung
Wärmeleitung und Wärmestrahlung
Wenn IGBT-Leistungskomponenten arbeiten, erzeugen sie aufgrund von Leitungsverlusten und Schaltverlusten eine große Menge an Wärme. Der Wärmepfad verläuft von oben nach unten wie folgt: Chip → Keramikbeschichtete Kupferplatte → Substrat → Kühlkörper. Schließlich wird die Wärme durch aktive oder passive Kühlung abgeführt, wobei der Kühlkörper und die Luft die Wärme durch Konvektion und Strahlung ableiten.
Optimierung des thermischen Widerstands
Im gesamten Leitungsprozess gibt es thermische Widerstände, die den Hauptfaktor für die Kühlung von IGBT-Leistungsmodule darstellen.Um den Wärmeableitungseffekt zu verbessern, ist die Reduzierung des Wärmewiderstands die wichtigste Methode.
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