¿Qué es el IGBT?
IGBT (Transformador bipolar de puerta aislada) es un dispositivo central para la transformación y transmisión de energía, comúnmente conocido como la "CPU" de los dispositivos electrónicos de potencia. Se utiliza ampliamente en campos como el tránsito ferroviario, redes inteligentes, aeroespacial, vehículos eléctricos y nuevos equipos energéticos.
El módulo IGBT es un producto semiconductor modular, que está empaquetado por IGBT (chip de transistor bipolar de puerta aislada) y FWD (chip de diodo Flyback) mediante un ensamblaje específico. El módulo IGBT puede encapsular múltiples chips IGBT internamente, logrando una alta capacidad de procesamiento de corriente para evitar el problema de aumentar el área activa y al mismo tiempo reducir el rendimiento del chip IGBT. En comparación con los módulos de un solo chip, los módulos empaquetados con múltiples chips IGBT internos tienen una estructura más responsable y mayores requisitos de gestión térmica. Como dispositivo de energía con alta generación de calor y muy afectado por la temperatura, el módulo IGBT debe controlar la temperatura del nodo dentro de un rango razonable en el funcionamiento real para garantizar un funcionamiento normal. Una temperatura de funcionamiento demasiado alta cambiará la constante física del semiconductor y los parámetros internos del dispositivo, lo que provocará que el módulo igbt no funcione correctamente e incluso afecte su vida útil en casos graves.
Tecnología de refrigeración IGBT
En la actualidad, los métodos de enfriamiento más utilizados para IGBT en el mercado incluyen tecnología de enfriamiento por aire, tecnología de enfriamiento por tubo de calor y tecnología de enfriamiento por agua.
Tecnología de refrigeración por aire
La tecnología de refrigeración por aire utiliza la zona de transferencia de calor por convección del aire para disipar el calor. Se puede dividir en refrigeración por aire pasiva por convección natural y refrigeración por aire activa por convección forzada. El enfriamiento del aire por convección natural se debe principalmente al contraste de densidad causado por la diferencia de temperatura del aire en diferentes posiciones, lo que genera flotabilidad como fuerza impulsora para impulsar el canal de flujo de aire circundante para eliminar el calor. El radiador de este modo de enfriamiento tiene una estructura simple y fácil de mantener, pero su capacidad de intercambio de calor es pobre y solo se puede usar durante el período de baja potencia de enfriamiento y baja generación de calor. Con la integración de dispositivos de potencia IGBT y el desarrollo de alta potencia, la demanda de refrigeración aumenta día a día y utilizar únicamente refrigeración por aire natural para la refrigeración está lejos de ser suficiente.
Para satisfacer las necesidades de disipación de calor, se instala un ventilador en el dispositivo IGBT para promover la convección de aire forzado. La resistencia térmica del enfriamiento por aire por convección forzada se puede reducir de una quinta a una quinta parte de la del enfriamiento por aire por convección natural, lo que aumenta en gran medida la capacidad de disipación de calor. Sin embargo, debido a la adición de ventiladores y otros dispositivos, es necesario diseñar conductos de aire, realizar un mantenimiento regular, reducir la confiabilidad del sistema, reducir la integración de dispositivos y generar un gran ruido durante el trabajo.
Para proporcionar la eficiencia de enfriamiento de la tecnología de enfriamiento por aire, generalmente se instala un disipador de calor en el módulo IGBT para aumentar el área de intercambio de calor, comúnmente conocido como disipador de calor con aletas. Después de una extensa investigación y optimización por parte de AWIND, los radiadores enfriados por aire, especialmente los radiadores con aletas de aluminio paralelas, tienen un diseño simple y procesos de fabricación maduros, lo que los convierte en el dispositivo de disipación de calor más utilizado en la refrigeración IGBT actual. Sin embargo, debido a problemas como la pequeña capacidad específica de aire y la baja conductividad térmica, incluso el enfriamiento de aire por convección forzada tiene una capacidad de disipación de calor limitada y no puede satisfacer de manera efectiva las necesidades de disipación de calor de la actual alta densidad de flujo de calor y el rápido calentamiento instantáneo de los módulos integrados IGBT.
Tecnología de enfriamiento por tubo de calor
El tubo de calor se compone principalmente de una carcasa sellada, un núcleo de succión de líquido y un canal de vapor. Se llena una cierta cantidad de líquido en la tubería. Un extremo del tubo de calor es una sección de evaporación y el otro extremo es una sección de condensación. Durante el proceso de trabajo, la sección de evaporación absorbe el calor generado por la fuente de calor, lo que hace que el líquido en el núcleo de succión de líquido circundante se vaporice. Luego, el calor se mueve con el vapor desde la sección de evaporación del tubo de calor a la sección de condensación, y el vapor se condensa en un líquido en la sección de condensación y transfiere el calor al mundo exterior; El líquido condensado regresa a la sección de evaporación a través de la acción capilar del núcleo de succión en la pared de la tubería, repitiendo el proceso del ciclo anterior, transfiriendo calor continuamente de un extremo al otro, logrando así la disipación de calor.
En comparación con la tecnología de refrigeración por aire por convección forzada, la introducción de tubos de calor mejora enormemente el rendimiento del disipador de calor. Además, la confiabilidad del disipador térmico con tubo de calor es alta y el riesgo de fuga de refrigerante es bajo. Por lo tanto, también existe una cierta base de aplicación en el mercado actual de gestión del calor igbt. Pero la mayoría de los disipadores de calor con tubo de calor, como los radiadores enfriados por aire, requieren un ventilador externo para lograr una mayor eficiencia de disipación de calor. Por lo tanto, la eficiencia de trabajo de los disipadores de calor con tubo de calor también se ve afectada por la forma del ventilador, la velocidad del viento, la temperatura ambiental y otros factores que requieren un mantenimiento regular y pueden generar ruido durante el funcionamiento. Además, agregar una estructura de tubo de calor aumenta el tamaño total del disipador de calor, lo que no favorece la mejora de la compacidad y la integración del módulo IGBT.
Tecnología de refrigeración por agua
El agua tiene buena conductividad térmica, gran capacidad calorífica específica y casi no contamina. En comparación con la refrigeración por aire, la refrigeración por agua tiene una mayor eficiencia de disipación de calor, un tamaño más pequeño, un diseño más sencillo del sistema de refrigeración y es más adecuada para sistemas de refrigeración de módulos igbt de alta potencia. Por lo tanto, la tecnología de refrigeración por agua se ha utilizado rápidamente y se ha convertido en el modo de refrigeración principal del sistema de refrigeración de módulos igbt de alta potencia. Combine los dos componentes independientes del módulo IGBT y la placa de refrigeración por agua para formar un disipador de calor independiente, que utiliza el flujo de circulación de agua dentro de la placa fría para eliminar el calor del módulo IGBT.
También es necesario tomar en serio la uniformidad de la temperatura de la placa de refrigeración líquida. Especialmente para los chips IGBT, su eficiencia de conversión de energía aumentará a medida que disminuya la temperatura de unión del chip IGBT. Una mala uniformidad de temperatura dará lugar a diferentes temperaturas de unión entre los chips IGBT en diferentes posiciones, lo que dará como resultado diferentes salidas de potencia para cada chip IGBT, lo que es muy perjudicial para el funcionamiento y la confiabilidad del módulo. Awind tiene muchos años de experiencia en el diseño de placas frías de líquidos para garantizar el equilibrio de temperatura. Garantiza el funcionamiento normal de los dispositivos IGBT.
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