Cos'è l'IGBT?
L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transformer) è un dispositivo centrale per la trasformazione e la trasmissione dell'energia, comunemente noto come "CPU" dei dispositivi elettronici di potenza. È ampiamente utilizzato in settori quali il trasporto ferroviario, le reti intelligenti, l’aerospaziale, i veicoli elettrici e le nuove apparecchiature energetiche.
Il modulo IGBT è un prodotto semiconduttore modulare, confezionato da IGBT (chip transistor bipolare a gate isolato) e FWD (chip diodo flyback) attraverso un assemblaggio specifico;. Il modulo IGBT può incapsulare più chip IGBT internamente, ottenendo capacità di elaborazione di corrente elevata per evitare il problema di aumentare l'area attiva riducendo al contempo la resa del chip IGBT. Rispetto ai moduli a chip singolo, i moduli di packaging con più chip IGBT interni hanno una struttura più responsabile e requisiti più elevati per la gestione termica. Essendo un dispositivo di potenza con elevata generazione di calore e fortemente influenzato dalla temperatura, il modulo IGBT deve controllare la temperatura del nodo entro un intervallo ragionevole durante il funzionamento effettivo per garantire il normale funzionamento. Una temperatura operativa troppo elevata modificherà la costante fisica del semiconduttore e i parametri interni del dispositivo, portando il modulo Igbt a non funzionare correttamente e, in casi gravi, addirittura a comprometterne la durata.
Tecnologia di raffreddamento IGBT
Attualmente, i metodi di raffreddamento per IGBT ampiamente utilizzati sul mercato includono la tecnologia di raffreddamento ad aria, la tecnologia di raffreddamento a tubi di calore e la tecnologia di raffreddamento ad acqua.
Tecnologia di raffreddamento ad aria
La tecnologia di raffreddamento ad aria utilizza la zona di trasferimento del calore per convezione dell'aria per dissipare il calore. Può essere suddiviso in raffreddamento ad aria passivo a convezione naturale e raffreddamento ad aria attivo a convezione forzata. Il raffreddamento dell'aria a convezione naturale è dovuto principalmente al contrasto di densità causato dalla differenza di temperatura dell'aria in diverse posizioni, che genera galleggiabilità come forza motrice per guidare il canale del flusso d'aria circostante per rimuovere il calore. Il radiatore di questa modalità di raffreddamento ha una struttura semplice e di facile manutenzione, ma la sua capacità di scambio termico è scarsa e può essere utilizzato solo durante il periodo di bassa potenza di raffreddamento e bassa generazione di calore. Con l'integrazione dei dispositivi di potenza IGBT e lo sviluppo di dispositivi ad alta potenza, la domanda di raffreddamento aumenta di giorno in giorno e l'utilizzo del solo raffreddamento ad aria naturale per il raffreddamento è lungi dall'essere sufficiente.
Per soddisfare le esigenze di dissipazione del calore, sul dispositivo IGBT è installata una ventola per favorire la convezione forzata dell'aria. La resistenza termica del raffreddamento ad aria a convezione forzata può essere ridotta da un quinto a un quinto di quella del raffreddamento ad aria a convezione naturale, aumentando notevolmente la capacità di dissipazione del calore. Tuttavia, a causa dell'aggiunta di ventilatori e altri dispositivi, è necessario progettare condotti d'aria, eseguire una manutenzione regolare, ridurre l'affidabilità del sistema, ridurre l'integrazione dei dispositivi e avere una notevole rumorosità durante il funzionamento.
Per garantire l'efficienza di raffreddamento della tecnologia di raffreddamento ad aria, sul modulo IGBT viene solitamente installato un dissipatore di calore per aumentare l'area di scambio termico, comunemente noto come dissipatore di calore alettato. Dopo approfondite ricerche e ottimizzazioni da parte di AWIND, i radiatori raffreddati ad aria, in particolare i radiatori ad alette parallele in alluminio, hanno un design semplice e processi di produzione maturi, che li rendono il dispositivo di dissipazione del calore più comunemente utilizzato nell'attuale raffreddamento IGBT. Tuttavia, a causa di problemi quali la ridotta capacità specifica dell'aria e la bassa conduttività termica, anche il raffreddamento ad aria a convezione forzata ha una capacità di dissipazione del calore limitata e non può soddisfare efficacemente le esigenze di dissipazione del calore dell'attuale elevata densità di flusso termico e del rapido riscaldamento istantaneo dei moduli integrati IGBT.
Tecnologia di raffreddamento a tubi di calore
Il tubo termico è composto principalmente da un guscio sigillato, un nucleo di aspirazione del liquido e un canale del vapore. Una certa quantità di liquido viene riempita nel tubo. Un'estremità del tubo termico è una sezione di evaporazione e l'altra estremità è una sezione di condensazione. Durante il processo di lavoro, la sezione di evaporazione assorbe il calore generato dalla fonte di calore, provocando la vaporizzazione del liquido nel nucleo di aspirazione del liquido circostante. Quindi, il calore si sposta con il vapore dalla sezione di evaporazione del tubo termico alla sezione di condensazione, e il vapore si condensa in un liquido nella sezione di condensazione e trasferisce il calore al mondo esterno; Il liquido condensato ritorna alla sezione di evaporazione attraverso l'azione capillare del nucleo di aspirazione sulla parete del tubo, ripetendo il processo del ciclo sopra descritto, trasferendo continuamente calore da un'estremità all'altra, ottenendo così la dissipazione del calore.
Rispetto alla tecnologia di raffreddamento ad aria a convezione forzata, l'introduzione di tubi di calore migliora notevolmente le prestazioni del dissipatore di calore. Inoltre, l'affidabilità del dissipatore di calore del tubo di calore è elevata e il rischio di perdite di refrigerante è basso. Pertanto, esiste anche una certa base applicativa nell’attuale mercato della gestione del calore IGBT. Ma la maggior parte dei dissipatori di calore a tubi di calore, come i radiatori raffreddati ad aria, richiedono una ventola esterna per ottenere una maggiore efficienza di dissipazione del calore. Pertanto, l'efficienza operativa dei dissipatori di calore a tubi di calore è influenzata anche dalla forma della ventola, dalla velocità del vento, dalla temperatura ambientale e da altri fattori che richiedono una manutenzione regolare e possono generare rumore durante il funzionamento. Inoltre, l'aggiunta di una struttura a tubi di calore aumenta le dimensioni complessive del dissipatore di calore, il che non favorisce la compattezza e l'integrazione del modulo IGBT.
Tecnologia di raffreddamento ad acqua
L'acqua ha una buona conduttività termica, un'elevata capacità termica specifica e quasi nessun inquinamento. Rispetto al raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua ha una maggiore efficienza di dissipazione del calore, dimensioni ridotte, layout più semplice del sistema di raffreddamento ed è più adatto per il sistema di raffreddamento del modulo IGBT ad alta potenza. Pertanto, la tecnologia di raffreddamento ad acqua è stata rapidamente ampiamente utilizzata, diventando la modalità di raffreddamento principale del sistema di raffreddamento dei moduli IGBT ad alta potenza. Combina i due componenti indipendenti del modulo IGBT e della piastra di raffreddamento ad acqua per formare un dissipatore di calore separato, che utilizza il flusso di circolazione dell'acqua all'interno della piastra fredda per rimuovere il calore dal modulo IGBT.
Anche l’uniformità della temperatura della piastra di raffreddamento a liquido deve essere presa sul serio. Soprattutto per i chip IGBT, la loro efficienza di conversione di potenza aumenterà al diminuire della temperatura di giunzione del chip IGBT. Una scarsa uniformità della temperatura porterà a temperature di giunzione diverse tra i chip IGBT in posizioni diverse, con conseguenti diverse uscite di potenza per ciascun chip IGBT, il che è molto dannoso per il funzionamento e l'affidabilità del modulo. Awind vanta molti anni di esperienza nella progettazione di piastre fredde liquide per garantire l'equilibrio della temperatura. Garantisce il normale funzionamento dei dispositivi IGBT.
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