Силовая электроника №4'2012

Тепловой интерфейс — ключевой фактор в продлении срока службы силовой электроники

Шульц Мартин (Martin Schulz)


Среди текущих рыночных тенденций можно отметить спрос на изделия с более длительным сроком службы, особенно в таких областях, как электротранспорт и возобновляемая энергетика. Но одновременно потребителям нужна и большая плотность мощности. Эти две потребности конфликтуют между собой: чем выше плотность мощности, тем выше рабочая температура, а следовательно, и механические напряжения, грозящие ускоренным выходом изделия из строя. Несмотря на определенный прогресс в технологиях силовой электроники, способствующий продлению срока службы компонентов, управление тепловыми режимами становится все более важным для получения максимальной отдачи от этих современных устройств.

Основы

Полупроводниковым компонентам всех изделий силовой электроники свойственны две общие черты:

  • статические и динамические потери ведут к росту температуры;
  • колебания температуры в форме активных и пассивных тепловых циклов вызывают механические напряжения, ограничивающие срок службы изделия.

В то время как временные масштабы коротких термоциклов исчисляются секундами, длинные термоциклы связаны с более длительными интервалами времени. Хотя эти два эффекта запускают разные механизмы отказа, оба они характеризуются циклическими колебаниями температуры и максимальной достигаемой температурой. Прогнозировать срок службы конкретной конструкции лучше всего на основании точного профиля нагрузки. Чтобы достоверно рассчитать температуру изделия и амплитуду ее циклических колебаний, по которым можно дать надежный прогноз срока службы изделия, необходимо в подробностях знать динамику изменения тока нагрузки, условия охлаждения и особенности конкретного полупроводникового силового компонента.

Упрощенная тепловая модель

Оценить тепловые характеристики заданного силового электронного компонента по профилю его нагрузки поможет упрощенная модель, показанная на рис. 1.

 Упрощенная тепловая модель силового электронного устройства

Рис. 1. Упрощенная тепловая модель силового электронного устройства

Модель содержит два источника тепла: кристаллы IGBT и диода. Источником потерь является вырабатываемая кристаллами определенная мощность PV, которая через цепочку тепловых сопротивлений поступает в окружающую среду. Если эти сопротивления известны в точности, по ним можно рассчитать температуру перехода.

Теплопередачу до основания модуля, а значит, и его тепловые характеристики определяет конструкция модуля. Цветным прямоугольником на рис. 1 обозначен путь теплоотвода от корпуса модуля к радиатору Rthch. При моделировании и расчетах это значение зачастую необоснованно принимают равным паспортному значению теплового сопротивления термопасты, которое определяется ее объемной теплопроводностью и толщиной слоя. Экспериментальные результаты показывают, что такой подход ошибочен.

Создать высококачественный теплоотвод, который характеризовался бы надежностью, воспроизводимостью и долговременной стабильностью, — нелегкая задача. Поэтому компания Infineon задалась целью разработать специальный теплопроводящий материал для силовых модулей. Такой материал позволил бы проектировщикам исходить из четко определенной тепловой обстановки, избавившись от большей части неизвестных величин, с которыми приходится иметь дело при регулировании тепловых режимов.

Оценка тепловой обстановки

Сегодня расчетный срок службы промышленных преобразователей составляет не менее 10 лет или 80 000 ч наработки. В ветроэлектростанциях он может доходить до 20 лет. К тяговой и автомобильной силовой электронике предъявляются еще более высокие требования. Ремонтировать инвертор в подобной технике только из-за неисправного теплового интерфейса — дорогостоящий и крайне нежелательный вариант. Теплопроводящий материал, предназначенный для применения в силовой электронике, должен отвечать этим требованиям.

В ходе разработки нового специального теплопроводящего материала для силовой электроники был проведен анализ возвращенных покупателями силовых модулей, которые вышли из строя во время работы из-за превышения предельных температур. Особое внимание уделялось типу использовавшегося в этих модулях теплопроводящего материала. Первые исследования механизмов отказа теплопроводящего материала не позволили сделать определенных выводов: оказалось, что в ходе кратковременных испытаний трудно получить надежные данные. Поэтому был выполнен целый комплекс испытаний на надежность, объектом которых стали силовые модули, смонтированные на серийных радиаторах с использованием теплопроводящих материалов. Произведенные испытания на воздействие внешних факторов включали в себя следующее:

  • HTRB (высокотемпературное блокирование обратным напряжением): испытуемое устройство выдерживается при температуре +85 °C с приложенным к нему обратным напряжением. Повреждение устройства можно регистрировать по изменению тока утечки.
  • H3TRB: устройство выдерживается при относительной влажности более 85% и температуре более +85 °C с приложенным к нему обратным напряжением.
  • H2S: испытание на устойчивость к воздействию коррозионно-активного газа (сероводорода).

Все эти испытания были пройдены без существенных изменений в тепловых характеристиках исследуемых систем. Далее последовало активное термоциклирование в качестве испытания под электрической нагрузкой. Модули были подвергнуты периодическому нагреву током, протекающим через IGBT. Было выполнено 100 000 циклов.

Модули включались примерно на одну минуту, после чего выключались на две минуты. Ток был выбран таким, чтобы температура перехода составила около +120 °C с вариациями в зависимости от используемого теплопроводящего материала. С помощью термографической камеры были измерены температуры кристаллов на испытательном стенде. Стенд состоял из трех блоков, каждый из которых содержал два силовых электронных модуля, смонтированных на общем радиаторе с принудительным воздушным охлаждением. В испытании участвовало шесть теплопроводящих материалов, которые были отобраны из рассматривавшихся изначально 80 вариантов. За счет последовательного соединения через оба модуля, входящих в один блок, в ходе силового цикла протекал одинаковый ток. Типичный результат измерения представлен на рис. 2а.

 а) Результаты термографического измерения температуры кристаллов; б) экспериментальные данные по шести различным теплопроводящим материалам

Рис. 2. а) Результаты термографического измерения температуры кристаллов с использованием различных тепловых интерфейсов; б) экспериментальные данные по шести различным теплопроводящим материалам

Наибольший интерес представляет максимальная температура, достигнутая внутри модулей. Используемая измерительная аппаратура позволяет отметить исследуемую область и определить максимальную температуру в этой области; при этом на 1 мм2 делается четыре измерения. На диаграмме, изображенной на рис. 2б, приведены результаты, полученные за 100 000 циклов этого эксперимента. Отчетливо видно, что корреляция между паспортным значением теплопроводности и максимальной температурой кристалла, зарегистрированной в ходе эксперимента, отсутствует.

Циклические испытания, подобные описанному выше, позволяют получить хорошее начальное представление о том, обеспечивает ли конкретный материал приемлемые тепловые характеристики. Кроме того, они позволяют наблюдать за механическими факторами. Недопустимо, чтобы теплопроводящий материал выдавливался из-под модулей вследствие термомеханического движения. Он также не должен вытекать в вертикальном варианте монтажа при нагревании до типичных рабочих температур и ни в коем случае не должен отделяться из-за капиллярных эффектов, обусловленных микронеровностями поверхности радиатора. Все эти эффекты можно легко исследовать на описанном испытательном стенде. Однако необходимо еще дать надежный прогноз долговременной стабильности материала, что особенно актуально для силовой электроники.

При соответствующих расчетах чрезвычайно важно, чтобы температура кристалла на заданном этапе работы оставалась неизменной на протяжении всего прогнозируемого срока службы. Заключительное испытание было связано с воздействием повышенной температуры. В ходе высокотемпературной выдержки (High Temperature Storing, HTS) модули подвергались воздействию температуры +125 °C в течение 1000 ч. Регистрировались первоначальные тепловые характеристики, а затем эти измерения повторялись еженедельно.

Если при таких испытаниях регистрируется изменение температуры, его можно без сомнения связать с деградацией теплопроводящего материала. Во время этих испытаний проявились и другие, не вполне ожидаемые эффекты. Результаты испытаний четырех материалов показаны на рис. 3.

 Результаты высокотемпературной выдержки в течение 1000 ч

Рис. 3. Результаты высокотемпературной выдержки в течение 1000 ч, показывающие превосходство нового теплопроводящего материала компании Infineon

Образец, обозначенный как «Материал 3», демонстрирует непрерывную деградацию вследствие старения. Причины этого — высыхание или потеря гибкости. «Материал 2» поначалу показывал неплохие результаты, но резкий скачок температуры кристалла через пять недель испытания ясно свидетельствует о том, что материал пострадал и утратил свои тепловые характеристики. «Материал 1» демонстрирует неизменные свойства, как и следует теплопроводящему материалу для силовой электроники, но этот продукт общего назначения уступает специализированному материалу, который обозначен как «Раствор IFX».

Прогноз срока службы

Исходя из экспериментальных данных, приведенных на рис. 2, становится очевидным, что неопределенности в тепловых моделях, используемых при расчетах, делают их результаты непредсказуемыми и ведут к ложным выводам о прогнозируемом сроке службы.

Характерным примером является «Материал 4» на рис. 2. Если рассчитывать тепловые режимы исключительно по паспортным значениям, это даст наименьшую среди всех образцов температуру перехода, то есть наименьшие механические напряжения и самый оптимистичный прогноз срока службы. Между тем в эксперименте этот образец показывает наихудшие результаты. Последствия такого расчета для конструкции были бы фатальными. В реальности тепловые характеристики данного материала сильно ухудшаются из-за дополнительных циклических колебаний температуры, что легче всего объяснить, посмотрев на график, приведенный на рис. 4.

 Кривые быстрого термоциклирования

Рис. 4. Кривые быстрого термоциклирования для общепромышленных модулей на базе технологии IGBT4

При температуре окружающего воздуха +25 °C измеренное значение амплитуды циклических колебаний температуры ΔTvj для материала 4 составляет около 107 К. Согласно графику для Tvj,max = +125 °C, это соответствует наработке на отказ при силовых циклах, равной примерно 7×104 циклам. Проведя тот же эксперимент с материалом, который лучше всего зарекомендовал себя в данном испытании, можно достичь снижения температуры кристалла на 18 К. Это соответствует повышению наработки на отказ при силовых циклах до 1,5×105 циклов, даже если опорной кривой остается кривая для Tvj,max = +125 °C. Таким образом, мы имеем вдвое большую наработку на отказ только за счет выбора другого теплопроводящего материала. При падении температуры перехода ниже +125 °C эта оценка является консервативной.

Заключение

Надлежащее регулирование тепловых режимов — ключевой аспект при разработке силовых электронных устройств. Несмотря на достигнутые успехи в улучшении тепловых характеристик каждого отдельного компонента, необходимо уделить особое внимание устройству теплового интерфейса между силовыми электронными компонентами и их радиаторами. Материалы, специально разработанные для применения в этой области, позволяют коренным образом улучшить тепловую обстановку и за счет этого значительно продлить срок службы устройства.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_04_18.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо