Recenter
Uitdagingen op het gebied van thermisch ontwerp bij telecombehuizingen voor buitengebruik
IGBT-modules worden veel gebruikt in industriële vermogenselektronica, zoals motorsturingen, UPS-systemen, lasapparatuur, omvormers voor hernieuwbare energie en stroomomzettingskasten. In deze toepassingen moet de module betrouwbaar hoge stromen en spanningen schakelen, terwijl deze onder zware thermische belasting functioneert. Daarom is koeling niet zomaar een bijkomend detail in het ontwerp van IGBT's. Het is een van de belangrijkste factoren die de efficiëntie, betrouwbaarheid, levensduur en vermogensdichtheid bepalen. Handleidingen van fabrikanten benadrukken consequent dat het thermische ontwerp de junctietemperatuur van de module onder de gespecificeerde maximumwaarde moet houden en dat de keuze van de koelplaat gebaseerd moet zijn op de werkelijke operationele verliezen van de module.
Wanneer een IGBT-module te heet wordt, lijden zowel de prestaties als de betrouwbaarheid daaronder. Een hogere temperatuur verhoogt de thermische belasting van de halfgeleiderchips, soldeerlagen, substraten, interfacematerialen en omliggende componenten. In de praktijk kan oververhitting de levensduur verkorten, de systeemstabiliteit verminderen en het risico op storingen in het veld vergroten. Daarom is het thermische ontwerp van IGBT's meestal gebaseerd op het volledige thermische pad van junctie naar behuizing naar koelplaat en vervolgens naar de omgeving, in plaats van alleen op de koelplaat. De toepassingshandleiding van Fuji definieert deze thermische weerstandssegmenten expliciet en laat zien dat de junctietemperatuur afhankelijk is van de complete thermische keten, niet slechts van één component.
De eerste stap bij het koelen van een IGBT-module is het berekenen van de moduleverliezen onder reële bedrijfsomstandigheden. Pas daarna kan de juiste koelstructuur worden gekozen. Volgens de huidige toepassingsrichtlijnen van Fuji moeten engineers eerst de IGBT-verliezen berekenen en vervolgens een koelblok selecteren dat de virtuele junctietemperatuur onder de gespecificeerde limiet houdt. Bij een ontoereikend thermisch ontwerp kan de junctietemperatuur tijdens bedrijf de toegestane maximumwaarde overschrijden en de module beschadigen.
Voor industriële vermogenselektronica is dit extra belangrijk, omdat de bedrijfsomstandigheden vaak variëren met de schakelfrequentie, de belastingcyclus, de omgevingstemperatuur en het ontwerp van de behuizing. Een module die er onder nominale omstandigheden acceptabel uitziet, kan te heet worden bij overbelasting, piekbelasting of slechte ventilatie. Een goed thermisch ontwerp begint daarom met realistische belastingprofielen in plaats van aannames uit catalogi.
Er bestaat niet één beste manier om alle IGBT-modules te koelen. De juiste methode hangt af van het vermogensniveau, de afmetingen van de module, de beschikbare montageruimte, de luchtstroom, de betrouwbaarheidsdoelstellingen en de beperkingen van de behuizing.
Voor veel standaard industriële systemen, luchtgekoelde koelplaten zijn nog steeds de meest praktische oplossing. Geëxtrudeerde aluminium koelprofielen worden veel gebruikt waar kostenbeheersing, schaalbare productie en een constante luchtstroom mogelijk zijn. Op de eigen pagina's over koelprofielen van Enner worden geëxtrudeerde profielen gepresenteerd als een goede keuze voor betrouwbaar industrieel thermisch beheer, terwijl geschaafde koelprofielen een betere optie vormen wanneer een hogere vindichtheid en sterkere koeling nodig zijn in een beperkte ruimte.
Voor zwaardere thermische belastingen, geschaafde koelplaten, warmtepijpconstructies of dampkamerondersteunde structuren mogelijk effectiever. Enner beschrijft afgeschuinde koelplaten als geschikt voor compacte toepassingen met hoge temperaturen en benadrukt oplossingen met warmtebuizen en dampkamers voor het beheersen van een hogere thermische dichtheid en het verbeteren van de warmteverspreiding over de structuur. Voor industriële omvormers en krachtige aandrijvingen kunnen deze opties helpen om hotspots te verminderen en de beperkte ruimte efficiënter te benutten.
Wanneer de vermogensdichtheid zeer hoog wordt, vloeistofkoeling of watergekoelde koelplaten dat kan nodig zijn. Fuji merkt op dat IGBT-modules in compacte converterinstallaties met een hoge dichtheid vaak watergekoeld zijn om de montagedichtheid te verbeteren en de thermische weerstand te verlagen. In hun documentatie voor automobieltoepassingen staat ook dat directe waterkoeling de thermische weerstand effectiever kan onderdrukken dan de conventionele luchtgekoelde koelmethode.
Zelfs een uitstekende koelplaat presteert minder goed als het contact tussen de modulebasis en het koeloppervlak slecht is. Daarom is thermisch geleidend materiaal, ofwel TIM, een van de belangrijkste aspecten bij de koeling van IGBT's.
De toepassingshandleiding van Fuji legt uit dat thermische pasta wordt gebruikt om de contactwarmteweerstand tussen de module en het koelblok te verminderen, maar waarschuwt ook dat te dikke pasta de warmteafvoer kan belemmeren, terwijl te dunne pasta luchtspleten kan achterlaten en de warmteweerstand kan verhogen. Dezelfde handleiding adviseert een uniforme pastadikte van ongeveer 100 μm na het aanbrengen. De recente industriële LV100-handleiding van Mitsubishi beveelt eveneens een uniforme pastadikte van ongeveer 50 tot 100 μm aan wanneer pasta tussen de module en het koelblok wordt gebruikt.
Dit is een belangrijke reden waarom veel thermische problemen in de praktijk te wijten zijn aan de kwaliteit van de assemblage in plaats van aan het ontwerp van de koelplaat zelf. Ongelijkmatige smeerpasta, inconsistente druk of een slechte montagevlakheid kunnen allemaal de interfaceweerstand verhogen en de chiptemperatuur hoger laten uitvallen dan verwacht. Infineon en Mitsubishi beschrijven beide ook het toenemende gebruik van vooraf aangebrachte thermische pasta of thermische pasta met faseverandering om de consistentie en de thermische prestaties op lange termijn te verbeteren.
Bij de koeling van IGBT-modules is de kwaliteit van de mechanische assemblage onderdeel van het thermisch ontwerp. De handleiding van Fuji specificeert dat het montageoppervlak van de koelplaat een gecontroleerde ruwheid en vlakheid moet hebben en merkt op dat slechte oppervlaktecondities de thermische contactweerstand kunnen verhogen of zelfs mechanische spanningen kunnen veroorzaken. Mitsubishi geeft ook richtlijnen voor de modulemontage waarin de nadruk ligt op vlakheid en zelfs het aanbrengen van thermische geleidingspasta (TIM) op het contactoppervlak.
Dit betekent dat het koelen van een IGBT-module niet alleen afhangt van het kiezen van een grotere koelplaat. De basisplaat, de klemkracht, het aanhaalmoment van de schroeven, de oppervlakteafwerking en de montagemethode hebben allemaal invloed op de daadwerkelijke thermische prestaties. In de industriële productie moeten deze details worden gestandaardiseerd, zodat de prestaties van het prototype consistent kunnen worden herhaald in de massaproductie.
Bij geforceerde luchtkoeling zijn de luchtstroomrichting en -snelheid net zo belangrijk als het vinoppervlak. Een koelblok dat op papier goed presteert, kan slecht functioneren als de luchtstroom wordt geblokkeerd door stroomrails, condensatoren, kabelgeleiding of behuizingswanden. Bij industriële aandrijvingen en voedingskasten moeten ontwerpers rekening houden met het gehele interne luchtpad, niet alleen met de afmetingen van de module.
Dit is een van de redenen waarom een op maat gemaakt thermisch ontwerp vaak beter presteert dan standaard koelhardware. Enner benadrukt in zijn industriële koeloplossingen herhaaldelijk het belang van een structuur die is afgestemd op de warmteafgifte, de afmetingen en de luchtstroom, in plaats van te kiezen voor een generiek profiel. In de praktijk betekent dit dat de beste IGBT-koeloplossing meestal degene is die is ontworpen op basis van de daadwerkelijke converterconfiguratie, de ventilatorrichting en de warmtebelastingverdeling.
Industriële vermogenselektronica wordt niet altijd in ideale omstandigheden geïnstalleerd. De toepassingsrichtlijnen van Infineon wijzen erop dat de lagere luchtdruk op grote hoogte het koelvermogen van luchtgekoelde systemen vermindert, waardoor het thermische ontwerp opnieuw moet worden beoordeeld. Dit is van belang voor aandrijvingen, apparatuur voor hernieuwbare energie en industriële kasten die in bergachtige of hooggelegen gebieden worden ingezet.
Waterkoeling brengt echter ook eigen ontwerprisico's met zich mee. De meest recente IGBT-richtlijnen van Mitsubishi vermelden dat condensatiepreventie noodzakelijk is bij units met waterkoeling, omdat de module zelf geen bescherming biedt tegen condensvorming en afdichtingsmaterialen vocht kunnen doorlaten. Met andere woorden, vloeistofkoeling kan de thermische prestaties verbeteren, maar moet zorgvuldig worden ontworpen om betrouwbaarheidsproblemen door vocht te voorkomen.
Bij Middelzware industriële aandrijvingen en algemene omvormersEen correct gedimensioneerde, geëxtrudeerde of geschaafde aluminium koelplaat met gecontroleerde TIM-dikte en goede luchtstroom is vaak voldoende. compacte, hoogwaardige omvormersGesneden koelplaten, koperen oplossingen of constructies met warmtebuizen kunnen de lokale warmteverspreiding verbeteren. zeer krachtige omvormers, tractie-achtige systemen of compacte vermogenskastenKoelplaten of watergekoelde ontwerpen zijn wellicht een meer realistische oplossing. Uit publicaties van Fuji blijkt dat toepassingen met een hogere dichtheid steeds vaker overstappen op waterkoeling om de thermische weerstand te verlagen en compacte verpakkingen mogelijk te maken.
Als een klant sneller een praktische oplossing op maat wil, moet de aanvraag meer bevatten dan alleen het onderdeelnummer van de module. Een leverancier van thermische oplossingen heeft doorgaans het volgende nodig:
Door deze informatie vroegtijdig te verstrekken, wordt het veel gemakkelijker om de juiste koelstructuur, TIM-methode en productiemethode te selecteren. Dat is vooral belangrijk voor bedrijven zoals Enner, die zich positioneren als fabrikanten van maatwerk koeloplossingen in plaats van louter leveranciers van standaardonderdelen.
Het koelen van IGBT-modules in industriële vermogenselektronica is meer dan alleen het plaatsen van een koelblok. Het vereist een complete thermische strategie die rekening houdt met vermogensverlies, junctietemperatuurlimieten, interfaceweerstand, montagekwaliteit, luchtstroom en de daadwerkelijke bedrijfsomgeving. Fabrikanten zijn hierover zeer duidelijk: verliesberekening staat voorop, de junctietemperatuur moet onder de limiet blijven, de dikte van de thermische interfacelaag moet gecontroleerd worden en de montagekwaliteit heeft direct invloed op het uiteindelijke thermische resultaat.
Voor veel industriële systemen presteert maatwerkkoeling beter dan standaardoplossingen, omdat deze kan worden afgestemd op de module-indeling, de beschikbare ruimte in de behuizing, de luchtstroom en de vermogensdichtheid. Of uw project nu een geëxtrudeerde koelplaat, een compacte, gefreesde constructie, een heatpipe-structuur of een watergekoelde basisplaat vereist, het doel is hetzelfde: een lagere thermische weerstand, een stabielere junctietemperatuur en een langere levensduur van het systeem. Het productaanbod en de recente content van Enner sluiten goed aan bij deze toepassingsgerichte thermische aanpak.
Zoekt u een koeloplossing op maat voor IGBT-modules in industriële vermogenselektronica? Neem contact met ons op en stuur ons uw modulemodel, thermische belasting en lay-outtekeningen voor een sneller advies en een offerte.
Het belangrijkste uitgangspunt is het werkelijke vermogensverlies van de module en de maximaal toegestane junctietemperatuur. De koelstructuur mag pas worden gekozen nadat is bevestigd dat de junctietemperatuur onder de gespecificeerde limiet blijft.
Voor veel module-naar-koelblok-assemblages is het antwoord ja. Fabrikanten geven aan dat thermische pasta of een ander geschikt thermisch geleidend materiaal (TIM) wordt gebruikt om de thermische contactweerstand te verlagen, maar dit moet gelijkmatig en in de aanbevolen dikte worden aangebracht.
Vloeistofkoeling wordt aantrekkelijker bij een hoge vermogensdichtheid, beperkte ruimte en wanneer luchtkoeling de module niet binnen de thermische limieten kan houden. Fuji beschrijft in haar toepassingsdocumentatie specifiek waterkoeling als een manier om de montagedichtheid te verhogen en de thermische weerstand te verlagen.
Ja. Officiële handleidingen vermelden dat een slechte vlakheid, ruwheid of onjuiste montage de thermische weerstand van het contact kan verhogen en de thermische prestaties kan verslechteren.
Ja. Infineon merkt op dat op grotere hoogtes de lagere luchtdruk de effectiviteit van luchtkoelsystemen vermindert, waardoor het thermische ontwerp opnieuw moet worden gecontroleerd voor die bedrijfsomstandigheden.
