Uudemmat
Lämpösuunnittelun haasteet ulkokäyttöön tarkoitetuissa tietoliikennekoteloissa
IGBT-moduuleja käytetään laajalti teollisuuden tehoelektroniikassa, kuten moottorikäytöissä, UPS-järjestelmissä, hitsauslaitteissa, uusiutuvan energian muuntimissa ja tehomuunnoskaapeissa. Näissä sovelluksissa moduulin on kyettävä kytkemään luotettavasti suuria virtoja ja jännitteitä samalla, kun se toimii suuren lämpörasituksen alaisena. Siksi jäähdytys ei ole vain tukeva yksityiskohta IGBT-suunnittelussa. Se on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka määräävät tehokkuuden, luotettavuuden, käyttöiän ja tehotiheyden. Valmistajien sovelluskäsikirjat korostavat johdonmukaisesti, että lämpösuunnittelun on pidettävä moduulin liitoskohdan lämpötila määritellyn maksimiarvon alapuolella ja että jäähdytysrivan valinnan tulisi perustua moduulin todellisiin käyttöhäviöihin.
Kun IGBT-moduuli kuumenee liikaa, sekä suorituskyky että luotettavuus kärsivät. Korkeampi lämpötila lisää puolijohdesirujen, juotoskerrosten, alustojen, rajapintamateriaalien ja ympäröivien komponenttien lämpörasitusta. Käytännössä ylikuumeneminen voi lyhentää käyttöikää, heikentää järjestelmän vakautta ja lisätä vikaantumisriskiä kentällä. Tästä syystä IGBT-lämpösuunnittelu rakennetaan yleensä koko lämpöreitin ympärille liitoksesta koteloon, jäähdytyselementtiin ja sieltä ympäristöön, eikä pelkästään jäähdytyselementin ympärille. Fujin sovelluskäsikirja määrittelee nämä lämpöresistanssisegmentit nimenomaisesti ja osoittaa, että liitoksen lämpötila riippuu koko lämpöketjusta, ei vain yhdestä komponentista.
Ensimmäinen vaihe IGBT-moduulin jäähdytyksessä on moduulin häviöiden laskeminen todellisissa käyttöolosuhteissa. Vasta sen jälkeen voit valita oikean jäähdytysrakenteen. Fujin nykyisessä sovellusohjeistuksessa todetaan, että insinöörien tulisi ensin laskea IGBT-häviöt ja sitten valita jäähdytyselementti, joka pitää virtuaalisen liitoskohdan lämpötilan määritellyn rajan alapuolella. Jos lämpösuunnittelu on riittämätön, liitoskohdan lämpötila voi ylittää sallitun maksimiarvon käytön aikana ja tuhota moduulin.
Teollisuuden tehoelektroniikassa tämä on erityisen tärkeää, koska käyttöolosuhteet vaihtelevat usein kytkentätaajuuden, kuormitusjakson, ympäristön lämpötilan ja kotelon rakenteen mukaan. Moduuli, joka näyttää hyväksyttävältä nimellisissä olosuhteissa, voi käydä liian kuumaksi ylikuormituksen, huipputehon tai huonon ilmanvaihdon aikana. Hyvä lämpösuunnittelu alkaa siksi realistisista kuormitusprofiileista eikä luettelo-oletuksista.
Kaikkien IGBT-moduulien jäähdyttämiseen ei ole yhtä ainoaa parasta tapaa. Oikea menetelmä riippuu tehotasosta, kotelon koosta, asennustilasta, ilmavirrasta, luotettavuustavoitteista ja kotelointirajoituksista.
Monissa teollisuusjärjestelmissä ilmajäähdytteiset jäähdytyselementit ovat edelleen käytännöllisin ratkaisu. Puristettuja alumiinisia jäähdytyselementtejä käytetään laajalti siellä, missä kustannusten hallinta, skaalautuva valmistus ja tasainen ilmavirta ovat mahdollisia. Ennerin omilla jäähdytyselementtisivuilla puristetut profiilit esitetään hyväksi vaihtoehdoksi luotettavaan teolliseen lämmönhallintaan, kun taas ohuet jäähdytyselementit esitetään parempana vaihtoehtona silloin, kun tarvitaan suurempaa ripatiheyttä ja tehokkaampaa jäähdytystä rajoitetussa tilassa.
Vaativammille lämpökuormille, ohennettuja jäähdytyselementtejä, lämpöputkikokoonpanoja tai höyrykammioon tuettuja rakenteita voi olla tehokkaampi. Enner kuvailee ohennettuja jäähdytyselementtejä sopiviksi kompakteihin, korkean lämpötilan sovelluksiin ja korostaa lämpöputki- ja höyrykammioratkaisuja suuremman lämpötiheyden hallintaan ja lämmön leviämisen parantamiseen rakenteessa. Teollisuusmuuntimissa ja suuritehoisissa taajuusmuuttajissa nämä vaihtoehdot voivat auttaa vähentämään kuumia kohtia ja käyttämään rajoitettua tilaa tehokkaammin.
Kun tehotiheys kasvaa erittäin suureksi, nestejäähdytteiset tai vesijäähdytteiset kylmälevyt voi olla tarpeen. Fuji huomauttaa, että kompakteissa, tiheissä muunninasennuksissa olevat IGBT-moduulit jäähdytetään usein vedellä asennustiheyden parantamiseksi ja lämmönkestävyyden vähentämiseksi. Sen autoteollisuuden sovellusmateriaalissa todetaan myös, että suorat vesijäähdytysrakenteet voivat vaimentaa lämmönkestävyyttä tehokkaammin kuin perinteinen ilmajäähdytteinen jäähdytyselementti.
Erinomainenkin jäähdytyselementti ei toimi kunnolla, jos moduulin pohjan ja jäähdytyspinnan välinen kosketus on huono. Siksi lämpörajapintamateriaali eli TIM on yksi IGBT-jäähdytyksen tärkeimmistä yksityiskohdista.
Fujin sovellusoppaassa selitetään, että lämpötahnaa käytetään moduulin ja jäähdytysrivan välisen kosketuslämmönvastuksen vähentämiseen, mutta siinä myös varoitetaan, että liian paksu rasva voi haitata lämmön haihtumista, kun taas liian ohut rasva voi jättää ilmarakoja ja lisätä lämmönvastusta. Samassa oppaassa suositellaan noin 100 μm:n tasaista rasvan paksuutta levityksen jälkeen. Mitsubishin äskettäin julkaisemassa teollisuuskäyttöön tarkoitetussa LV100-huomautuksessa suositellaan vastaavasti noin 50–100 μm:n tasaista rasvan paksuutta, kun moduulin ja jäähdytysrivan välissä käytetään rasvaa.
Tämä on merkittävä syy siihen, miksi monet kenttälämpöongelmat johtuvat kokoonpanon laadusta eikä itse jäähdytysrivan suunnittelusta. Epätasainen voitelu, epätasainen paine tai huono kiinnityksen tasaisuus voivat kaikki nostaa rajapinnan vastusta ja nostaa sirun lämpötilaa odotettua korkeammaksi. Sekä Infineon että Mitsubishi dokumentoivat myös esiasennettujen TIM- tai vaihemuutos-TIM-vaihtoehtojen kasvavaa käyttöä tasaisuuden ja pitkän aikavälin lämpötehon parantamiseksi.
IGBT-moduulien jäähdytyksessä mekaanisen kokoonpanon laatu on osa lämpösuunnittelua. Fujin käyttöohjeessa täsmennetään, että jäähdytysrivan kiinnityspinnan karheuden ja tasaisuuden tulee olla hallinnassa, ja todetaan, että huonot pintaolosuhteet voivat lisätä kosketuksen lämpövastusta tai jopa aiheuttaa mekaanisia rasitusongelmia. Mitsubishi antaa myös moduulien asennusohjeita, jotka korostavat tasaisuutta ja tasaista TIM-sovellusta kosketuspinnalla.
Tämä tarkoittaa, että IGBT-moduulin jäähdytyksessä ei ole kyse pelkästään suuremman jäähdytysrivan valinnasta. Pohjalevy, puristuspaine, ruuvien vääntömomentti, pinnan viimeistely ja kiinnitysmenetelmä vaikuttavat kaikki todelliseen lämpötehokkuuteen. Teollisuustuotannossa nämä yksityiskohdat tulisi standardoida, jotta prototyypin suorituskyky voidaan toistaa johdonmukaisesti massatuotannossa.
Pakotetussa ilmajärjestelmässä ilmavirran suunta ja virtausnopeus ovat aivan yhtä tärkeitä kuin jäähdytysripojen pinta-ala. Jäähdytyselementti, joka toimii teoriassa hyvin, voi toimia huonosti, jos ilmavirran estävät virtakiskot, kondensaattorit, kaapelireititys tai kotelon seinät. Teollisuuskäytöissä ja tehokaapeissa suunnittelijoiden tulisi tarkastella koko sisäistä ilmareittiä, ei pelkästään moduulin kokoa.
Tämä on yksi syy siihen, miksi räätälöity lämpösuunnittelu toimii usein paremmin kuin valmiit jäähdytyslaitteet. Ennerin teollisuusjäähdytyselementtien sisältö korostaa toistuvasti rakenteen sovittamista lämmöntuottoon, kokoon ja ilmavirtaukseen yleisen profiilin valitsemisen sijaan. Käytännössä tämä tarkoittaa, että paras IGBT-jäähdytysratkaisu on yleensä sellainen, joka on suunniteltu todellisen muuntimen asettelun, tuulettimen suunnan ja lämpökuorman jakautumisen ympärille.
Teollisuuden tehoelektroniikkaa ei aina asenneta ihanteellisiin ympäristöihin. Infineonin sovellusohjeissa huomautetaan, että korkealla merenpinnasta alhaisempi ilmanpaine heikentää ilmajäähdytteisten järjestelmien jäähdytyskykyä, joten lämpösuunnittelu on arvioitava uudelleen. Tällä on merkitystä vuoristo- tai korkealla sijaitseville alueilla käytettäville taajuusmuuttajille, uusiutuvan energian laitteille ja teollisuuskaapeille.
Myös vesijäähdytys tuo mukanaan omat suunnitteluriskinsä. Mitsubishin uusimmassa IGBT-ohjeistuksessa todetaan, että kondensaatiotoimenpiteet ovat välttämättömiä vesijäähdytystä käyttävissä yksiköissä, koska moduuli itsessään ei tarjoa kondensaatiosuojaa ja tiivistemateriaalit voivat läpäistä kosteutta. Toisin sanoen nestejäähdytys voi parantaa lämpöominaisuuksia, mutta se on suunniteltava huolellisesti kosteuden aiheuttamien luotettavuusongelmien välttämiseksi.
varten keskitehoiset teollisuuskäytöt ja yleiskäyttöiset konverterit, usein riittää oikean kokoinen puristettu tai ohennettu alumiininen jäähdytyselementti, jossa on kontrolloitu TIM-paksuus ja hyvä ilmavirtaus. kompaktit, tiheästi toimivat invertterit, ohuet jäähdytyslevyt, kuparipohjaiset ratkaisut tai lämpöputkilla avustetut rakenteet voivat parantaa paikallista lämmön leviämistä. erittäin suuritehoiset muuntimet, vetovoiman kaltaiset järjestelmät tai tiheät tehokaapit, kylmälevyt tai vesijäähdytteiset mallit voivat olla realistisempi ratkaisu. Fujin julkaisemat materiaalit osoittavat, että tiheämmät sovellukset siirtyvät yhä enemmän vesijäähdytykseen lämmönkestävyyden vähentämiseksi ja kompaktien pakkausten tukemiseksi.
Jos asiakas haluaa käytännöllisen, räätälöidyn ratkaisun nopeammin, kyselyn tulisi sisältää muutakin kuin moduulin osanumeron. Lämpötoimittaja tarvitsee yleensä:
Näiden tietojen antaminen varhaisessa vaiheessa helpottaa huomattavasti oikean jäähdytysrivan rakenteen, TIM-menetelmän ja valmistusmenetelmän valintaa. Tämä on erityisen tärkeää Ennerin kaltaisille yrityksille, jotka asemoituvat räätälöityjen lämpöratkaisujen valmistajiksi pelkkien varastotuotteiden myyjien sijaan.
Teollisuuden tehoelektroniikan IGBT-moduulien jäähdytyksessä ei ole kyse vain jäähdytysrivan kiinnittämisestä. Se vaatii täydellisen lämpöstrategian, joka perustuu tehohäviöön, liitosten lämpötilarajoihin, rajapinnan resistanssiin, kiinnityksen laatuun, ilmavirtaukseen ja todelliseen käyttöympäristöön. Valmistajan ohjeet ovat tässä asiassa erittäin selkeät: häviöiden laskeminen on etusijalla, liitosten lämpötilan on pysyttävä rajan alapuolella, TIM-paksuutta on hallittava ja kokoonpanon laatu vaikuttaa suoraan lopulliseen lämpötulokseen.
Monissa teollisuusjärjestelmissä räätälöity jäähdytys toimii paremmin kuin vakioratkaisut, koska se voidaan räätälöidä moduulin asetteluun, kotelointitilaan, ilmavirtausreittiin ja tehotiheyteen. Tarvitsetpa projektissasi sitten puristettua jäähdytyselementtiä, tiheää ohutlevyrakennetta, lämpöputkirakennetta tai vesijäähdytteistä pohjalevyä, tavoite on sama: alhaisempi lämmönkestävyys, vakaampi liitoslämpötila ja pidempi järjestelmän käyttöikä. Ennerin tuotevalikoima ja viimeaikainen sisältö sopivat hyvin yhteen tämäntyyppisen sovelluspohjaisen lämpölähestymistavan kanssa.
Etsitkö räätälöityä jäähdytysratkaisua teollisuuden tehoelektroniikan IGBT-moduuleille? Ota meihin yhteyttä ja kerro moduulisi malli, lämpökuorma ja asettelupiirustukset saadaksesi nopeamman suosituksen ja tarjouksen.
Tärkein lähtökohta on moduulin todellinen tehohäviö ja sen sallittu liitoskohdan lämpötila. Jäähdytysrakenne tulisi valita vasta sen jälkeen, kun on varmistettu, että liitoskohdan lämpötila pysyy määritellyn rajan alapuolella.
Kyllä, monien moduuli-jäähdytyselementtikokoonpanojen kohdalla. Valmistajan ohjeiden mukaan lämpövastuksen vähentämiseksi käytetään lämpötahnaa tai muuta sopivaa lämpöeristysainetta, mutta sitä on levitettävä tasaisesti ja suositellulla paksuudella.
Nestemäinen jäähdytys on houkuttelevampaa, kun tehotiheys on korkea, tila on rajallinen ja ilmajäähdytys ei pysty pitämään moduulia sen lämpörajoissa. Fujin sovellusmateriaaleissa vesijäähdytys kuvataan erityisesti tapana lisätä asennustiheyttä ja pienentää lämmönkestävyyttä.
Kyllä. Virallisissa käyttöoppaissa todetaan, että huono tasaisuus, karheus tai virheellinen kokoonpano voivat lisätä kosketuksen lämmönkestävyyttä ja heikentää lämmönkestävyysominaisuuksia.
Kyllä. Infineon huomauttaa, että korkeammilla korkeuksilla alhaisempi ilmanpaine heikentää ilmajäähdytysjärjestelmien tehokkuutta, joten lämpösuunnittelu on tarkistettava uudelleen näissä käyttöolosuhteissa.
