Mai nou
Provocări de proiectare termică în carcasele de telecomunicații exterioare
Modulele IGBT sunt utilizate pe scară largă în electronica de putere industrială, cum ar fi acționările motoarelor, sistemele UPS, echipamentele de sudură, convertoarele de energie regenerabilă și dulapurile de conversie a puterii. În aceste aplicații, modulul trebuie să comuteze în mod fiabil curent și tensiune ridicată, funcționând sub stres termic puternic. De aceea, răcirea nu este doar un detaliu secundar în proiectarea IGBT. Este unul dintre principalii factori care determină eficiența, fiabilitatea, durata de viață și densitatea de putere. Manualele de aplicare ale producătorului subliniază în mod constant faptul că proiectarea termică trebuie să mențină temperatura joncțiunii modulului sub valoarea maximă specificată și că selecția radiatorului ar trebui să se bazeze pe pierderile reale de funcționare ale modulului.
Când un modul IGBT se încălzește prea tare, atât performanța, cât și fiabilitatea au de suferit. Temperatura mai ridicată crește stresul termic asupra cipurilor semiconductoare, straturilor de lipire, substraturilor, materialelor de interfață și componentelor înconjurătoare. În practică, supraîncălzirea poate scurta durata de viață, poate reduce stabilitatea sistemului și poate crește riscul de defecțiune pe teren. Acesta este motivul pentru care designul termic al IGBT este de obicei construit în jurul întregii căi termice de la joncțiune la carcasă, la radiator și apoi la temperatura ambiantă, mai degrabă decât doar în jurul radiatorului. Manualul de aplicare Fuji definește explicit aceste segmente de rezistență termică și arată că temperatura joncțiunii depinde de lanțul termic complet, nu doar de o componentă.
Primul pas în răcirea unui modul IGBT este calcularea pierderilor modulului în condiții reale de funcționare. Abia după aceea puteți alege structura de răcire potrivită. Ghidul actual de aplicare al Fuji prevede că inginerii ar trebui mai întâi să calculeze pierderile IGBT, apoi să selecteze un radiator care să mențină temperatura joncțiunii virtuale sub limita specificată. Dacă designul termic este insuficient, temperatura joncțiunii poate depăși maximul admis în timpul funcționării și poate distruge modulul.
Pentru electronica de putere industrială, acest lucru este deosebit de important deoarece condițiile de funcționare variază adesea în funcție de frecvența de comutare, ciclul de sarcină, temperatura ambiantă și designul carcasei. Un modul care pare acceptabil în condiții nominale se poate încălzi prea tare în timpul supraîncărcării, al sarcinii de vârf sau al ventilației deficitare. Prin urmare, un design termic bun începe cu profiluri de sarcină realiste, mai degrabă decât cu ipoteze de catalog.
Nu există o singură metodă optimă de răcire a tuturor modulelor IGBT. Metoda corectă depinde de nivelul de putere, dimensiunea carcasei, spațiul de montare, fluxul de aer, obiectivele de fiabilitate și constrângerile carcasei.
Pentru multe sisteme industriale standard, radiatoare răcite cu aer sunt încă soluția cea mai practică. Radiatoarele din aluminiu extrudat sunt utilizate pe scară largă acolo unde sunt disponibile controlul costurilor, fabricația scalabilă și fluxul de aer constant. Paginile Enner despre radiatoare prezintă profilele extrudate ca fiind o alegere bună pentru un management termic industrial fiabil, în timp ce radiatoarele cu nervuri laterale sunt prezentate ca o opțiune mai bună acolo unde este necesară o densitate mai mare a aripioarelor și o răcire mai puternică în spațiu limitat.
Pentru sarcini termice mai solicitante, radiatoare cu șanț, ansambluri de conducte de căldură sau structuri susținute de camere de vapori ar putea fi mai eficiente. Enner descrie radiatoarele cu șanț ca fiind potrivite pentru aplicații compacte, cu temperaturi ridicate, și evidențiază soluțiile cu conducte de căldură și camere de vapori pentru gestionarea densității termice mai mari și îmbunătățirea răspândirii căldurii în structură. Pentru convertoarele industriale și unitățile de acționare de mare putere, aceste opțiuni pot ajuta la reducerea punctelor fierbinți și la utilizarea mai eficientă a spațiului limitat.
Când densitatea de putere devine foarte mare, plăci reci răcite cu lichid sau cu apă ar putea fi necesar. Fuji notează că modulele IGBT din instalațiile compacte de convertoare de înaltă densitate sunt adesea răcite cu apă pentru a îmbunătăți densitatea de montare și a reduce rezistența termică. Materialul său pentru aplicații auto precizează, de asemenea, că structurile de răcire directă cu apă pot suprima rezistența termică mai eficient decât abordarea convențională a radiatorului răcit cu aer.
Chiar și un radiator excelent va avea performanțe slabe dacă contactul dintre baza modulului și suprafața de răcire este slab. De aceea, materialul de interfață termică, sau TIM, este unul dintre cele mai importante detalii în răcirea IGBT.
Manualul de utilizare al companiei Fuji explică faptul că pasta termică este utilizată pentru a reduce rezistența termică de contact dintre modul și radiator, dar avertizează și că o pastă prea groasă poate împiedica disiparea căldurii, în timp ce o pastă prea subțire poate lăsa goluri de aer și poate crește rezistența termică. Același manual recomandă o grosime uniformă a pastei de aproximativ 100 μm după întindere. Nota recentă industrială LV100 a companiei Mitsubishi recomandă, de asemenea, o grosime uniformă a pastei de aproximativ 50 până la 100 μm atunci când se utilizează pastă între modul și radiator.
Acesta este un motiv major pentru care multe probleme termice pe teren provin din calitatea asamblării, mai degrabă decât din designul radiatorului în sine. Unsoare neuniformă, presiunea inconsistentă sau planeitatea slabă a montării pot crește rezistența la interfață și pot împinge temperatura cipului mai sus decât se așteaptă. Infineon și Mitsubishi documentează, de asemenea, utilizarea tot mai mare a opțiunilor TIM pre-aplicate sau TIM cu schimbare de fază pentru a îmbunătăți consistența și performanța termică pe termen lung.
În răcirea modulelor IGBT, calitatea asamblării mecanice face parte din proiectarea termică. Manualul Fuji specifică faptul că suprafața de montare a radiatorului trebuie să aibă o rugozitate și o planeitate controlate și notează că condițiile precare ale suprafeței pot crește rezistența termică de contact sau chiar pot crea probleme de stres mecanic. Mitsubishi oferă, de asemenea, îndrumări pentru montarea modulelor care subliniază planeitatea și chiar aplicarea TIM pe suprafața de contact.
Aceasta înseamnă că răcirea unui modul IGBT nu se rezumă doar la selectarea unui radiator mai mare. Placa de bază, presiunea de strângere, cuplul șuruburilor, finisajul suprafeței și metoda de montare influențează performanța termică reală. În producția industrială, aceste detalii ar trebui standardizate, astfel încât performanța prototipului să poată fi repetată în mod constant în producția de masă.
În sistemele cu aer forțat, direcția și debitul fluxului de aer sunt la fel de importante ca suprafața aripioarelor. Un radiator care funcționează bine pe hârtie poate funcționa prost dacă fluxul de aer este blocat de bare colectoare, condensatoare, trasee de cabluri sau pereți ai carcasei. Pentru convertizoarele de frecvență industriale și dulapurile de putere, proiectanții ar trebui să ia în considerare întreaga cale internă de aer, nu doar amprenta modulului.
Acesta este unul dintre motivele pentru care designul termic personalizat are adesea performanțe mai bune decât hardware-ul de răcire standard. Conținutul radiatorului industrial al Enner pune accentul în mod repetat pe potrivirea structurii cu puterea termică, dimensiunea și fluxul de aer, mai degrabă decât alegerea unui profil generic. În practică, aceasta înseamnă că cea mai bună soluție de răcire IGBT este de obicei cea proiectată în funcție de configurația convertorului, direcția ventilatorului și distribuția sarcinii termice.
Electronica de putere industrială nu este întotdeauna instalată în medii ideale. Ghidul de aplicare Infineon subliniază faptul că la altitudini mari, presiunea mai scăzută a aerului reduce capacitatea de răcire a sistemelor răcite cu aer, astfel încât designul termic trebuie reevaluat. Acest lucru este important pentru acționări, echipamente de energie regenerabilă și dulapuri industriale implementate în regiuni muntoase sau de mare altitudine.
Răcirea cu apă introduce și propriile riscuri de proiectare. Cele mai recente îndrumări IGBT de la Mitsubishi menționează că măsurile de condensare sunt necesare în unitățile care utilizează răcire cu apă, deoarece modulul în sine nu oferă protecție împotriva condensului, iar materialele de etanșare pot avea permeabilitate la umiditate. Cu alte cuvinte, răcirea cu lichid poate îmbunătăți performanța termică, dar trebuie proiectată cu atenție pentru a evita problemele de fiabilitate cauzate de umiditate.
Pentru acționări industriale de putere medie și convertoare generale, un radiator din aluminiu extrudat sau șlefuit de dimensiuni adecvate, cu grosime TIM controlată și un flux de aer bun este adesea suficient. Pentru invertoare compacte, de înaltă densitate, radiatoarele cu șanț, soluțiile pe bază de cupru sau structurile asistate de conducte de căldură pot îmbunătăți răspândirea locală a căldurii. Pentru convertoare de putere foarte mare, sisteme de tip tracțiune sau dulapuri de putere dense, plăcile reci sau modelele răcite cu apă ar putea fi soluția mai realistă. Materialele publicate de Fuji arată că aplicațiile cu densitate mai mare se îndreaptă din ce în ce mai mult către răcirea cu apă pentru a reduce rezistența termică și a susține ambalajele compacte.
Dacă un client dorește o soluție personalizată practică mai rapidă, solicitarea ar trebui să includă mai mult decât numărul de piesă al modulului. Un furnizor de sisteme termice va avea nevoie de obicei de:
Furnizarea acestor informații din timp facilitează mult selectarea structurii radiatorului potrivite, a metodei TIM și a abordării de fabricație. Acest lucru este deosebit de important pentru companii precum Enner, care se poziționează ca producători de soluții termice personalizate, mai degrabă decât doar vânzători de piese din stoc.
Răcirea modulelor IGBT în electronica de putere industrială nu se rezumă doar la atașarea unui radiator. Necesită o strategie termică completă, construită în jurul pierderilor de putere, limitelor de temperatură ale joncțiunii, rezistenței interfeței, calității montării, fluxului de aer și mediului real de funcționare. Îndrumările producătorului sunt foarte clare în această privință: calculul pierderilor este primul, temperatura joncțiunii trebuie să rămână sub limită, grosimea TIM trebuie controlată, iar calitatea asamblării afectează direct rezultatul termic final.
Pentru multe sisteme industriale, răcirea personalizată are performanțe mai bune decât soluțiile standard, deoarece poate fi adaptată la configurația modulului, spațiul carcasei, traseul fluxului de aer și densitatea puterii. Indiferent dacă proiectul dumneavoastră are nevoie de un radiator extrudat, un design cu denivelare de înaltă densitate, o structură de conducte de căldură sau o placă de bază răcită cu apă, obiectivul este același: o rezistență termică mai mică, o temperatură a joncțiunii mai stabilă și o durată de viață mai lungă a sistemului. Gama de produse Enner și conținutul recent se aliniază bine cu acest tip de abordare termică bazată pe aplicații.
Căutați o soluție personalizată de răcire pentru modulele IGBT din electronica de putere industrială? Contactați-ne cu modelul modulului, sarcina termică și desenele de amplasare pentru a primi o recomandare și o ofertă mai rapide.
Cel mai important punct de plecare este pierderea reală de putere a modulului și temperatura maximă admisă a joncțiunii. Structura de răcire trebuie selectată numai după confirmarea faptului că temperatura joncțiunii va rămâne sub limita specificată.
Pentru multe ansambluri modul-radiator, da. Instrucțiunile producătorului arată că se utilizează pasta termică sau un alt TIM adecvat pentru a reduce rezistența termică de contact, dar trebuie aplicat uniform și la grosimea recomandată.
Răcirea cu lichid devine mai atractivă atunci când densitatea de putere este mare, spațiul este limitat, iar răcirea cu aer nu poate menține modulul în limitele sale termice. Materialele de aplicare Fuji descriu în mod specific răcirea cu apă ca o modalitate de a crește densitatea de montare și de a reduce rezistența termică.
Da. Manualele oficiale de aplicare precizează că planeitatea slabă, rugozitatea sau asamblarea incorectă pot crește rezistența termică de contact și pot înrăutăți performanța termică.
Da. Infineon observă că la altitudini mai mari, presiunea aerului mai scăzută reduce eficiența sistemelor de răcire cu aer, așadar proiectarea termică trebuie verificată din nou pentru acele condiții de funcționare.
