Nell'elettronica di potenza, il transistor bipolare a gate isolato (IGBT) è uno dei semiconduttori più utilizzati. I moderni IGBT sono costruiti in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) per una migliore produzione ed efficienza termica.
Sebbene gli IGBT siano utili per l'alimentazione e la conversione, possono anche creare molto calore se commutati ad alte frequenze.
Il raffreddamento dei dispositivi IGBT rappresenta una questione di notevole importanza per gli ingegneri del settore elettrico.
Sviluppo degli IGBT
L'IGBT è un interruttore più potente che funziona controllando la tensione su una parte semiconduttrice per generare un circuito elettrico. È stato introdotto per la prima volta negli anni '1980 ed è stato migliorato grazie all'invenzione del transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET).
L'IGBT è insolito perché elimina la funzione del tiristore, risultando in un dispositivo più efficiente. Gli inverter, gli azionamenti dei motori e i sistemi di alimentazione per turbine solari ed eoliche avanzate sono tutti realizzati con IGBT.
Gestione termica degli IGBT
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La produzione, conversione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica richiedono l'uso di apparecchiature elettroniche di potenza. Le tecnologie energetiche vengono implementate per aumentare l’efficienza energetica, l’affidabilità e il controllo. Alcuni esperti ritengono che in futuro tutta l’energia elettrica viaggerà attraverso un dispositivo a semiconduttore di potenza.
Gli IGBT sono gadget ad alta tensione e potenza che stanno diventando sempre più popolari. Un IGBT (transistor bipolare a gate isolato) è un interruttore a stato solido che consente il flusso di elettricità quando viene acceso e spento.
Un IGBT funziona fornendo una tensione a un componente semiconduttore, modificandone le proprietà e consentendogli di bloccare o produrre un percorso elettrico.
Per applicazioni a frequenza moderata (5-50 kHz) e ad alta tensione (200-2,000 V), un IGBT combina un ingresso con gate isolato con un'uscita bipolare per produrre un interruttore di alimentazione affidabile.
I moduli IGBT di grandi dimensioni includono spesso più dispositivi collegati in parallelo e possono gestire centinaia di ampere di corrente con tensioni di blocco fino a 6,500 V. Centinaia di kilowatt di potenza possono essere controllati da questi IGBT.
Gli IGBT vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni ad alta potenza, tra cui veicoli elettrici e ibridi, caricabatterie, autobus elettrici, azionamenti di motori per elettrodomestici, interruttori e alimentatori, convertitori di controllo della tensione, controlli di azionamento di motori, inverter solari ed eolici, gestione termica e dispositivi medico-diagnostici.
Soluzioni di raffreddamento IGBT
Il controllo termico degli IGBT può essere coadiuvato da una varietà di soluzioni di raffreddamento. Ogni scelta comporta una serie di vantaggi.
Raffreddamento ad aria
Per i sistemi a bassa potenza, anche i dissipatori di calore raffreddati ad aria possono rappresentare un'opzione rapida ed economica. Per assorbire il calore e i picchi, alcuni progetti industriali utilizzano un dissipatore di calore con massa e capacità termica elevate.
I dissipatori di calore raffreddati ad aria hanno difficoltà a gestire temperature più elevate e picchi termici nelle apparecchiature elettroniche ad alta potenza a causa della capacità dell'aria di trasportare il calore e delle normali temperature di funzionamento acustiche elevate, di conseguenza, il raffreddamento ad aria è economico solo per basse e alte temperature. apparecchiature di media potenza.
Direct Raffreddamento a liquido
Negli IGBT, il raffreddamento a liquido diretto migliora le caratteristiche di trasferimento del calore e riduce la resistenza termica, diminuendo le temperature di giunzione e migliorando le capacità di potenza.
Il raffreddamento a liquido consente inoltre ai progettisti di produrre una maggiore potenza per volume, migliorando prestazioni ed efficienza. Il raffreddamento diretto a liquido è stato precedentemente ottenuto mediante stampaggio di grandi piastre fredde in tubi di rame su blocchi di alluminio utilizzando resina epossidica termicamente conduttiva.
Altri modelli incorporano tubi in rame lavorati per aumentare l'efficienza. Un dissipatore di calore pin-fin viene impiantato in un substrato DBC, che viene successivamente fissato a un serbatoio del fluido, consentendo al refrigerante di circolare sulle alette per un effetto di raffreddamento.
Raffreddamento a liquido a microcanali
Un innovativo concetto di raffreddamento a liquido a microcanali raggiunge la più bassa resistenza termica possibile per i dispositivi ad alta potenza.
Rispetto ai precedenti sistemi di raffreddamento a liquido, il raffreddamento a liquido integrato a microcanali può ridurre la resistenza termica di un IGBT di 10x-100x riducendo la massa termica del refrigerante nei mini canali di flusso.
Ciò migliora notevolmente le velocità di trasferimento termico e le temperature di funzionamento dei progetti di sistemi IGBT. Migliorando la fisica termica dei microcanali, le piastre fredde a microcanali Kenfatech aumentano le prestazioni.
I nostri progetti di griglia a microcanali possono essere adattati per adattarsi alle caratteristiche dei moduli IGBT e possono fornire all'elettronica di potenza un controllo termico coerente e senza rivali.
Applicazione degli IGBT nell'elettronica di potenza
Negli ultimi decenni gli IGBT hanno guadagnato popolarità nelle applicazioni dell'elettronica di potenza. Gli IGBT forniscono energia a una varietà di dispositivi e sistemi.
Inverter
Grazie all'eccellente controllo del gate e alla capacità di trasportare correnti più significative, gli IGBT sono perfetti per gli inverter. Le opzioni di raffreddamento avanzate sui moduli IGBT consentono una transizione più efficace dall'alimentazione CC a CA.
Convertitori
I convertitori di tensione sono alimentati da transistor bipolari accoppiati induttivamente (IGBT). Nella progettazione dell'alimentatore, i convertitori svolgono un ruolo cruciale.
Alimentatori
Gli IGBT possono essere utilizzati con due diversi alimentatori:
● Alimentatore a commutazione (SMPS)
● Gruppo di continuità (UPS)
Alimentatore Switch Mode
Gli IGBT possono essere utili con applicazioni ad alta corrente, mentre un convertitore a commutazione viene utilizzato per convertire la tensione in uscita in un SMPS.
Alimentazione elettrica ininterrotta
Un IGBT può aiutare un UPS a fornire potenza uniforme e costante in caso di guasto di un sistema elettrico.
Applicazioni dell'energia rinnovabile
Le soluzioni energetiche rinnovabili vengono integrate nei piani strategici di un numero crescente di organizzazioni commerciali, industriali e municipali. L’utilizzo della tecnologia a microcanali per ottimizzare il raffreddamento a liquido IGBT può aiutare i clienti a creare energia più sostenibile a costi ridotti.
Inverter Solari
Gli inverter solari prendono l'elettricità CC generata dai pannelli solari e la convertono in energia CA utilizzabile dai consumatori. L’IGBT è un componente cruciale per consentire alle persone di accedere a un’energia più intelligente e pulita e deve essere controllato termicamente per funzionare correttamente.
Ricevitori fotovoltaici concentrati (CPV)
Centinaia di riflettori a specchio vengono utilizzati nella concentrazione del fotovoltaico (CPV) per dirigere l'energia solare verso un ricevitore centrale. La potenza risultante genera un flusso di calore vicino alla superficie del sole!
Per garantire un funzionamento costante, il ricevitore CPV, un componente vitale del sistema, deve essere raffreddato utilizzando metodi altamente efficienti come il raffreddamento a liquido a microcanali.
Pompe di calore ad energia solare
Per risparmiare sul riscaldamento, una pompa di calore assistita da energia solare combina una normale pompa di calore con un ingresso fotovoltaico.
Le piastre fredde a microcanali per i moduli di potenza IGBT possono aumentare l'efficienza energetica riducendo al tempo stesso il costo totale di proprietà del sistema.
Conclusione
Gli IGBT creano molto calore e possono essere danneggiati da una quantità eccessiva di calore. A causa delle enormi proporzioni richieste per controllare gli enormi volumi di calore, l’utilizzo di soluzioni di raffreddamento ad aria, come i dissipatori di calore, per gli IGBT con dissipazione ad alta potenza può essere impraticabile.
Il raffreddamento a liquido ha coefficienti di trasferimento termico di molti ordini di grandezza maggiori rispetto al raffreddamento a convezione, consentendo densità di potenza sostanzialmente più elevate e soluzioni di moduli e inverter più compatte. Anche se nel settore dell'elettronica di potenza a volte si incontra resistenza al raffreddamento a liquido, è necessario soddisfare molti degli odierni requisiti di gestione termica degli IGBT.
Il raffreddamento a liquido per i motori a combustione interna è utilizzato nell'industria automobilistica da oltre un secolo e l'idea di utilizzare il raffreddamento a liquido per l'elettronica di potenza in un'applicazione automobilistica è attualmente considerata un non-problema. I metodi di raffreddamento a liquido per gli IGBT includono piastre fredde, tubi di calore, turbolatori e circuiti di raffreddamento del vapore.
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