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IGBTの熱管理は何でしょうか

IGBTモジュールはパワーデバイスであり、駆動電圧が低く、電力の処理能力が高く、スイッチング周波数が高いなどの利点があります。但し、熱特性と区別することも出来ません。パワー半導体モジュールの弱点は過電圧と過熱です。この熱がきちんと管理されていないと、設備の故障や効率低下、寿命短縮につながる可能性が有ります。装置やシステムの熱特性を正確に設計してこそ、装置の長期的かつ確実な動作を保証し、その可能性を十分に引き出すことができます。これがIGBTの熱管理です。

IGBTの継続的な小型化と急速な増加は、複雑な熱管理を必要とする顕著な高熱流束をもたらします。


技術とビジネストレンド

モジュールの場合、IGBT放熱の技術は主にパッケージと繰り返し展開を接続します。モジュールのパッケージと技術の接続は常に基板、DBC板、溶接、ステープル線と放熱構造の絶えずの最適化を中心にしています。

チップ間の連続方:アルミ線/条→銅線→扁平連続です。

放熱の構造:片面間接の放熱→片面直接の水冷クーラ→両面水冷構造。

DBC板と基板:材料の反復、A1203→AIN→Si3N4、基板材料はCuからA1SiCへ反復します。


WalmateのIGBT熱管理ソリューション
風冷放熱

エア冷却には自然冷却と強制冷却の2種類があります。

自然冷却のメカニズム:作業中に部品の温度が上がって、周りの環境との間に温度差が生じます。そのため、部品と環境の間で自発的な熱交換が行われます。このプロセスは余分なエネルギーや働力を必要とせず、自然冷却方式は冷却補助装置を設計する必要がなく、外部の温度の低い空気を直接利用して冷却するため、エネルギー消費が少なく、信頼性が高く、騒音も少ないです。高出力放熱シナリオでは制約があります。

強制エア冷却のメカニズム:外部の補助装置(ファンなど)の力を借りて、熱源周辺の空気を強制対流させ、部品から熱を奪います。風冷方式の長所を強要するのは放熱設備が簡単で実用的で、製造価格が安くて、現在の風電変流器冷却の中で応用が多い冷却方式です。しかし、このスキームは、高出力放熱、低ノイズのシナリオでは制限されます。


液冷放熱

間接液冷却:間接液体冷却は発熱した部品と冷却液が直接接触して熱を伝えるのではなく、「冷板」を介して間接的な方法で熱交換を行います。間接液体冷却は多くの明らかな利点を持って、例えば設備が簡易で、構造がコンパクトで、補修が便利で、変流器IGBTモジュールに対して汚染がなくて、しかも作業の過程で発生する騒音はとても小さいです。





ヒートパイプによる放熱

ヒートパイプは熱交換のための効率的な部品でそのメカニズムは:閉じた管の殻の内部で働作媒体を充填して、媒体は相転移の過程で吸熱と放熱の方式で熱交換を行います。ヒートパイプは熱伝導性の高い材料でできているため,ヒートパイプと呼ばれ,熱伝導性の良い金属導体よりも熱伝導系数が百倍近く大きいのです。ヒートパイプの利点は良いな熱伝導性、優れた等温性および環境適応。しかしそれは一般的に遠い距離で熱を移働する必要があります。または均温の場合、大出力の風力発電の変換器の放熱の要求を満たすことが困難です。



IGBT放熱の原理
熱伝導と熱放射

IGBTパワーデバイスが動作すると、オン状態損失とスイッチング損失により大量の熱が発生します。放熱経路は上から順に,チップ→セラミック製銅板→基板→ラジエータとなっています。最後に、アクティブまたはパッシブ放熱により、ラジエーターと空気は対流と輻射によって熱を運びます。


熱抵抗最適化

伝導プロセス全体に熱抵抗が存在し、これはIGBTパワーモジュールの放熱に影響を与える主な要因です。放熱効果を高めるためには熱抵抗を低減することが最も重要です。