Was ist IGBT?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transformer) ist ein Kerngerät für die Energieumwandlung und -übertragung, allgemein bekannt als „CPU“ leistungselektronischer Geräte. Es wird häufig in Bereichen wie Schienenverkehr, Smart Grid, Luft- und Raumfahrt, Elektrofahrzeugen und Geräten für neue Energien eingesetzt.
Das IGBT-Modul ist ein modulares Halbleiterprodukt, das aus IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor Chip) und FWD (Flyback Diode Chip) durch spezielle Montage zusammengesetzt ist. Das IGBT-Modul kann mehrere IGBT-Chips intern kapseln und so eine hohe Stromverarbeitungsfähigkeit erreichen, um das Problem der Vergrößerung der aktiven Fläche zu vermeiden und gleichzeitig die Ausbeute des IGBT-Chips zu verringern. Im Vergleich zu Einzelchipmodulen weisen Verpackungsmodule mit mehreren internen IGBT-Chips eine verantwortungsvollere Struktur und höhere Anforderungen an das Wärmemanagement auf. Da es sich um ein Leistungsgerät mit hoher Wärmeentwicklung handelt, das stark von der Temperatur beeinflusst wird, muss das IGBT-Modul die Knotentemperatur im tatsächlichen Betrieb innerhalb eines angemessenen Bereichs steuern, um einen normalen Betrieb sicherzustellen. Eine zu hohe Betriebstemperatur verändert die physikalische Konstante des Halbleiters und die internen Parameter des Geräts, was dazu führt, dass das IGBT-Modul nicht ordnungsgemäß funktioniert und in schwerwiegenden Fällen sogar seine Lebensdauer beeinträchtigt.
IGBT-Kühltechnologie
Zu den derzeit am Markt weit verbreiteten Kühlmethoden für IGBTs gehören Luftkühlungstechnologie, Heatpipe-Kühltechnologie und Wasserkühlungstechnologie.
Luftkühlungstechnologie
Die Luftkühlungstechnologie nutzt die Konvektionswärmeübertragungszone der Luft, um Wärme abzuleiten. Es kann in passive Luftkühlung mit natürlicher Konvektion und aktive Luftkühlung mit erzwungener Konvektion unterteilt werden. Die Luftkühlung durch natürliche Konvektion ist hauptsächlich auf den Dichtekontrast zurückzuführen, der durch den Temperaturunterschied der Luft an verschiedenen Positionen verursacht wird und Auftrieb als treibende Kraft erzeugt, um den umgebenden Luftströmungskanal anzutreiben und die Wärme abzuführen. Der Kühler dieses Kühlmodus hat einen einfachen Aufbau und ist leicht zu warten, aber seine Wärmeaustauschkapazität ist schlecht und kann nur in Zeiten geringer Kühlleistung und geringer Wärmeerzeugung verwendet werden. Mit der Integration von IGBT-Leistungsgeräten und der Entwicklung von Hochleistungsgeräten steigt der Kühlbedarf von Tag zu Tag, und die alleinige Verwendung natürlicher Luftkühlung zur Kühlung reicht bei weitem nicht aus.
Um den Wärmeableitungsbedarf zu decken, ist am IGBT-Gerät ein Lüfter installiert, der die erzwungene Luftkonvektion fördert. Der Wärmewiderstand der Luftkühlung mit erzwungener Konvektion kann auf ein Fünftel bis ein Fünftel desjenigen der Luftkühlung mit natürlicher Konvektion reduziert werden, was die Wärmeableitungskapazität erheblich erhöht. Aufgrund der Hinzufügung von Lüftern und anderen Geräten ist es jedoch erforderlich, Luftkanäle zu konzipieren, regelmäßige Wartungsarbeiten durchzuführen, die Systemzuverlässigkeit zu verringern, die Geräteintegration zu reduzieren und beim Arbeiten einen hohen Geräuschpegel zu verursachen.
Um die Kühleffizienz der Luftkühlungstechnologie zu gewährleisten, wird auf dem IGBT-Modul normalerweise ein Kühlkörper installiert, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, allgemein bekannt als Lamellenkühlkörper. Nach umfangreicher Forschung und Optimierung durch AWIND verfügen luftgekühlte Kühler, insbesondere parallele Aluminiumrippenkühler, über ein einfaches Design und ausgereifte Herstellungsverfahren, was sie zum am häufigsten verwendeten Wärmeableitungsgerät in der aktuellen IGBT-Kühlung macht. Aufgrund von Problemen wie der geringen spezifischen Luftkapazität und der geringen Wärmeleitfähigkeit verfügt jedoch selbst die Luftkühlung mit erzwungener Konvektion über eine begrenzte Wärmeableitungskapazität und kann den Wärmeableitungsbedarf der derzeit hohen Wärmeflussdichte und der schnellen sofortigen Erwärmung integrierter IGBT-Module nicht effektiv erfüllen.
Heatpipe-Kühltechnologie
Das Wärmerohr besteht hauptsächlich aus einer versiegelten Hülle, einem Flüssigkeitssaugkern und einem Dampfkanal. In das Rohr wird eine bestimmte Menge Flüssigkeit eingefüllt. Ein Ende des Wärmerohrs ist ein Verdampfungsabschnitt und das andere Ende ist ein Kondensationsabschnitt. Während des Arbeitsprozesses nimmt der Verdampfungsabschnitt die von der Wärmequelle erzeugte Wärme auf, wodurch die Flüssigkeit im umgebenden Flüssigkeitssaugkern verdampft. Dann bewegt sich die Wärme mit dem Dampf vom Verdampfungsabschnitt des Wärmerohrs zum Kondensationsabschnitt, und der Dampf kondensiert im Kondensationsabschnitt zu einer Flüssigkeit und überträgt die Wärme an die Außenwelt; Die kondensierte Flüssigkeit kehrt durch die Kapillarwirkung des Saugkerns an der Rohrwand in den Verdampfungsabschnitt zurück, wiederholt den oben genannten Zyklusprozess und überträgt kontinuierlich Wärme von einem Ende zum anderen Ende, wodurch eine Wärmeableitung erreicht wird.
Im Vergleich zur Luftkühlungstechnologie mit erzwungener Konvektion verbessert die Einführung von Wärmerohren die Leistung des Kühlkörpers erheblich. Darüber hinaus ist die Zuverlässigkeit des Heatpipe-Kühlkörpers hoch und das Risiko eines Kältemittellecks gering. Daher gibt es auch im aktuellen IGBT-Wärmemanagementmarkt eine gewisse Anwendungsgrundlage. Die meisten Heatpipe-Kühlkörper, wie etwa luftgekühlte Heizkörper, benötigen jedoch einen externen Lüfter, um eine höhere Wärmeableitungseffizienz zu erreichen. Daher wird die Arbeitseffizienz von Heatpipe-Kühlkörpern auch von der Lüfterform, der Windgeschwindigkeit, der Umgebungstemperatur und anderen Faktoren beeinflusst, die eine regelmäßige Wartung erfordern und während des Betriebs Geräusche erzeugen können. Darüber hinaus erhöht das Hinzufügen einer Wärmerohrstruktur die Gesamtgröße des Kühlkörpers, was der Verbesserung der Kompaktheit und Integration des IGBT-Moduls nicht förderlich ist.
Wasserkühlungstechnologie
Wasser hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine große spezifische Wärmekapazität und ist nahezu umweltfreundlich. Im Vergleich zur Luftkühlung weist die Wasserkühlung eine höhere Wärmeableitungseffizienz, eine geringere Größe, eine einfachere Auslegung des Kühlsystems auf und eignet sich besser für Hochleistungs-IGBT-Modulkühlsysteme. Daher fand die Wasserkühlungstechnologie schnell breite Anwendung und wurde zum gängigen Kühlmodus für Hochleistungs-IGBT-Modulkühlsysteme. Kombinieren Sie die beiden unabhängigen Komponenten des IGBT-Moduls und der Wasserkühlplatte zu einem separaten Kühlkörper, der die Wasserzirkulation innerhalb der Kühlplatte nutzt, um die Wärme vom IGBT-Modul abzuleiten.
Auch die Temperaturgleichmäßigkeit der Flüssigkeitskühlplatte muss ernst genommen werden. Insbesondere bei IGBT-Chips steigt der Wirkungsgrad der Stromumwandlung, wenn die Sperrschichttemperatur des IGBT-Chips sinkt. Eine schlechte Temperaturgleichmäßigkeit führt zu unterschiedlichen Übergangstemperaturen zwischen IGBT-Chips an verschiedenen Positionen, was zu unterschiedlichen Leistungsabgaben für jeden IGBT-Chip führt, was sich sehr nachteilig auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit des Moduls auswirkt. Awind verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Flüssigkühlplatten zur Gewährleistung des Temperaturausgleichs. Gewährleistet den normalen Betrieb von IGBT-Geräten.
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