Abstract: Questo articolo presenta un progetto di piastra di raffreddamento a liquido per transistor bipolari a gate isolato (IGBT). La piastra di raffreddamento a liquido è una soluzione efficiente per la gestione termica che migliora le prestazioni di dissipazione del calore degli IGBT facendo circolare direttamente il refrigerante attraverso i chip IGBT. Questo progetto riduce efficacemente la temperatura e migliora l'affidabilità e le prestazioni del sistema.
Introduzione:
Gli IGBT sono dispositivi semiconduttori di potenza ampiamente utilizzati nei moderni sistemi di elettronica di potenza. Nelle applicazioni ad alta potenza, i chip IGBT generano una notevole quantità di calore che, se non dissipato efficacemente, può influire negativamente sulle prestazioni e sulla durata del dispositivo. I metodi tradizionali di raffreddamento ad aria presentano limitazioni nelle applicazioni ad alta densità di potenza, rendendo la tecnologia di raffreddamento a liquido una soluzione importante per la gestione termica degli IGBT.
Panoramica della tecnologia di raffreddamento a piastre fredde a liquido:
La tecnologia di raffreddamento a liquido utilizza un mezzo di trasferimento del calore, in genere acqua o altri fluidi, per contattare direttamente e raffreddare la fonte di calore. Facendo circolare il liquido refrigerante, dissipa il calore in modo efficiente, offrendo una gestione termica e un controllo della temperatura superiori rispetto ai tradizionali metodi di raffreddamento ad aria.
Principi di progettazione della piastra fredda liquida IGBT:
La chiave per la progettazione delle piastre fredde a liquido IGBT risiede nello stabilire un percorso di conduzione termica efficiente tra il refrigerante e i chip IGBT. Nel processo di progettazione è necessario considerare diversi aspetti:
a. Sistema di circolazione del liquido di raffreddamento: La progettazione di un sistema di circolazione del liquido di raffreddamento efficiente, comprensivo di pompe, tubazioni e dispositivi di controllo del flusso, garantisce un flusso di liquido di raffreddamento stabile e sufficiente.
b. Materiali per l'interfaccia termica: la scelta di materiali per l'interfaccia termica appropriati con elevata conduttività termica, come gel di silicone o pasta termica, riduce al minimo la resistenza termica tra il liquido di raffreddamento e i chip IGBT.
c. Progettazione della piastra di raffreddamento: La piastra di raffreddamento a liquido deve possedere un'eccellente conduttività termica e integrità strutturale. In genere, si utilizzano materiali metallici come rame o alluminio per trasferire efficacemente il calore al refrigerante.
d. Progettazione del canale di flusso: la piastra di raffreddamento richiede una struttura del canale di flusso ben progettata per garantire una copertura uniforme del refrigerante sui chip IGBT e indurre una turbolenza sufficiente a migliorare l'efficienza di dissipazione del calore.
Processo di progettazione della piastra fredda liquida IGBT:
a. Determinazione dei requisiti di dissipazione del calore: in base alle esigenze pratiche dell'applicazione, identificare i requisiti di dissipazione del calore per l'IGBT, inclusi la temperatura massima e la dissipazione di potenza.
b. Selezione del liquido di raffreddamento: Scegliere un liquido di raffreddamento idoneo tenendo conto dei requisiti di dissipazione del calore e delle caratteristiche del sistema, considerando fattori quali fluidità, corrosività e affidabilità.
c. Dimensionamento e selezione del materiale della piastra di raffreddamento: Determinare le dimensioni e il materiale della piastra di raffreddamento a liquido in base ai requisiti di dissipazione del calore e ai limiti di spazio, considerando fattori quali la conduttività termica del materiale e il costo.
d. Progettazione e ottimizzazione del canale di flusso: Progettare una struttura del canale di flusso ottimizzata in base alle dimensioni della piastra fredda e ai requisiti di dissipazione del calore. Utilizzare la simulazione numerica e la validazione sperimentale per perfezionare la progettazione del canale di flusso al fine di ottenere prestazioni di dissipazione del calore ottimali.
e. Integrazione e collaudo del sistema: Integrare la piastra di raffreddamento a liquido progettata con i chip IGBT ed eseguire test a livello di sistema per convalidare le prestazioni di dissipazione del calore e l'affidabilità.
Validazione sperimentale e valutazione delle prestazioni:
Dopo il processo di progettazione, sono necessarie la validazione sperimentale e la valutazione delle prestazioni. Misura parametri come la distribuzione della temperatura sulla piastra fredda, la portata del refrigerante e la temperatura per valutare l'efficacia della dissipazione del calore e confrontarla con le prestazioni previste.
Conclusione:
Il design della piastra fredda liquida IGBT è un'efficiente soluzione di gestione termica che riduce efficacemente le temperature IGBT, migliora l'affidabilità del sistema e migliora le prestazioni. Selezionando il refrigerante appropriato, ottimizzando la progettazione del canale di flusso ed eseguendo la convalida sperimentale e la valutazione delle prestazioni, è possibile raggiungere gli obiettivi di progettazione, soddisfacendo i requisiti di varie applicazioni. In futuro, con ulteriori progressi tecnologici, la progettazione di piastre fredde a liquido IGBT troverà applicazioni più ampie nei dispositivi elettronici di potenza.
Quella che segue è la piastra di raffreddamento a liquido del modulo IGBT da 3000 W che abbiamo progettato per i clienti.
Ci sono un totale di 6 moduli, ogni modulo ha una potenza di 500W. Il foglio alettato locale ad alta densità viene utilizzato per rimuovere una grande quantità di calore e, allo stesso tempo, lo scambio di calore nel canale dell'acqua può rimuovere efficacemente il calore. Abbiamo calcolato mediante un software di simulazione termica e ottenuto la curva della funzione di convergenza e la mappa di distribuzione della temperatura del prodotto:
