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Che cos'è la gestione termica IGBT?
Il modulo IGBT è un dispositivo di potenza con i vantaggi di una bassa tensione di pilotaggio, un'elevata capacità di gestione della potenza e un'elevata frequenza di commutazione.Ma non può nemmeno essere separato dalle proprietà termiche.I punti deboli dei moduli a semiconduttori di potenza sono la sovratensione e il surriscaldamento.Se questo calore non viene gestito in modo efficace, può portare al guasto delle apparecchiature, alla riduzione dell’efficienza e alla riduzione della durata.Solo progettando accuratamente le caratteristiche termiche dei dispositivi e dei sistemi è possibile garantire il funzionamento affidabile a lungo termine del dispositivo e sfruttarne appieno il potenziale. Questa è la gestione termica dell'IGBT.
La continua miniaturizzazione e la potenza nominale in rapido aumento degli IGBT comportano flussi di calore significativamente elevati, che richiedono una gestione termica complessa.
Tendenze tecnologiche e aziendali
Per i moduli, la tecnologia di dissipazione del calore IGBT ruota principalmente attorno alle iterazioni di confezionamento e connessione.La tecnologia di confezionamento e connessione dei moduli ruota sempre attorno alla continua ottimizzazione di substrati, schede DBC, saldature, linee di rilegatura e strutture di dissipazione del calore.
Metodo di connessione tra chip: filo/striscia di alluminio→filo di rame→connessione piatta
Struttura di dissipazione del calore: dissipazione del calore indiretta su un lato → raffreddamento ad acqua diretto su un lato → struttura di raffreddamento ad acqua su due lati.
Scheda DBC e substrato: iterazione del materiale, da A1203→AIN→Si3N4, il materiale del substrato verrà ripetuto da Cu ad A1SiC.
Soluzione di gestione termica IGBT di Walmate
Raffreddamento ad aria
Il raffreddamento ad aria comprende il raffreddamento naturale e il raffreddamento ad aria forzata.
Il meccanismo del raffreddamento naturale è:
Durante il funzionamento, i componenti elettronici si riscaldano, creando un gradiente termico con l'ambiente circostante. Di conseguenza, si innesca uno scambio termico spontaneo tra i componenti e l'ambiente.Questo processo avviene in modo spontaneo senza richiedere energia o dispositivi aggiuntivi. Il raffreddamento naturale non necessita di dispositivi di raffreddamento ausiliari e sfrutta direttamente l'aria esterna a temperatura più bassa per il raffreddamento, risultando quindi a basso consumo energetico, altamente affidabile e silenzioso.Tuttavia, questa soluzione presenta dei limiti nelle applicazioni con elevata dissipazione di potenza.
Il meccanismo del raffreddamento ad aria forzata è:
Con l'ausilio di apparecchiature ausiliarie esterne (come i ventilatori), l'aria attorno alla fonte di calore è costretta a produrre una convezione forzata, sottraendo così il calore generato dai componenti.Il vantaggio del metodo di raffreddamento ad aria forzata è che l'apparecchiatura di dissipazione del calore è semplice e pratica e il prezzo di produzione è basso. Attualmente è un metodo di raffreddamento ampiamente utilizzato nel raffreddamento dei convertitori di energia eolica.
Tuttavia, questa soluzione è limitata nella dissipazione del calore ad alta potenza e negli scenari a basso rumore.
Raffreddamento a liquido
Raffreddamento a liquido indiretto:
Il raffreddamento a liquido indiretto significa che i componenti di riscaldamento e il liquido di raffreddamento non entrano direttamente in contatto con il trasferimento di calore, ma utilizzano una "piastra fredda" per scambiare calore indirettamente.Il raffreddamento a liquido indiretto presenta molti vantaggi evidenti, come apparecchiature semplici, struttura compatta, facile manutenzione, nessun inquinamento del modulo IGBT del convertitore e poco rumore generato durante il funzionamento.
Raffreddamento a tubi di calore
Il tubo termico è un efficiente componente di scambio termico. Il suo meccanismo di funzionamento è:
Il mezzo di lavoro viene riempito all'interno del guscio del tubo chiuso e il mezzo scambierà calore assorbendo e rilasciando calore durante il processo di cambiamento di fase.I tubi di calore sono realizzati con materiali ad alta conduttività termica, pertanto sono chiamati superconduttori. Rispetto ai conduttori metallici con buona conduttività termica, la conduttività termica dei tubi di calore è quasi cento volte maggiore di questi ultimi.
I vantaggi dei tubi di calore includono:
Buona conduttività termica, eccellenti proprietà isotermiche e adattabilità ambientale.Tuttavia, viene generalmente utilizzato in situazioni in cui è richiesto il trasferimento di calore a lunga distanza o l'equalizzazione della temperatura ed è difficile soddisfare i requisiti di dissipazione del calore dei convertitori di energia eolica ad alta potenza.
Principio di funzionamento del raffreddamento IGBT
Conduzione del calore e radiazione termica
Quando i dispositivi di potenza IGBT funzionano, viene generata una grande quantità di calore a causa delle perdite nello stato di conduzione e delle perdite di commutazione.Il percorso di dissipazione del calore dall'alto verso il basso è: chip → laminato rivestito in rame ceramico → substrato → dissipatore di calore.
Infine, con il raffreddamento attivo o passivo, il dissipatore di calore e l'aria rimuovono il calore attraverso il trasferimento di calore per convezione e irraggiamento.
Ottimizzazione della resistenza termica
Nell'intero processo di conduzione è presente resistenza termica, che è il fattore principale che influenza la dissipazione del calore dei moduli di potenza IGBT.Per migliorare l'effetto di dissipazione del calore, la riduzione della resistenza termica è il metodo più importante.
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