Сравнение некоторых концепций систем охлаждения мощных силовых полупроводниковых модулей

№ 4’2011
В статье рассмотрены несколько методов повышения теплопроизводительности мощных силовых полупроводниковых модулей на примере IGBT-модуля (1200 В) с изолированным основанием. Проводится сравнение некоторых концепций систем охлаждения мощных силовых полупроводниковых модулей, а также описание особенностей различных концепций охладителей.

Тенденции развития силовой электроники за последнее десятилетие требуют повышения эффективности систем охлаждения силовых модулей MOSFET и IGBT. Стремление уменьшить габариты силовой системы и, как следствие, модуля привело к сокращению площади поверхности некоторых IGBT-модулей на 50%. Это, в свою очередь, привело к увеличению плотности рассеиваемой мощности как IGBT-кристалла, так и самого модуля в связи с более плотной компоновкой кристалла. Кроме того, увеличение частоты переключения и повышение класса IGBT также повлекло за собой увеличение плотности рассеиваемой мощности на уровне кристалла. Несмотря на то, что доля потерь мощности кристалла компенсирована усовершенствованием дизайна MOSFET- и IGBT-матрицы, охлаждающая способность данных модулей ограничивает производительность устройства в целом.

Охлаждение силовых модулей, применяемых в гибридных электромобилях (ЭМ-гибриды), представляет дополнительную трудность, так как температура охладителя на входе может превышать +100 °C, притом что для поддержания рабочей температуры IGBT ниже максимальных +150 °C необходим малый разброс температур (+20…+30 °C) между матрицей и охладителем и одновременно высокий уровень рассеивания удельного теплового потока.

Столкнувшись с трудностями эффективного и экономичного охлаждения увеличившейся плотности рассеиваемой мощности и малым дифференциалом температур, разработчики силовых полупроводниковых модулей обращаются к новым технологиям в системах охлаждения. В данной статье представлены несколько методов сокращения теплового сопротивления силовых модулей, а также их сравнение в рамках прототипной модели IGBT-модуля (1200 В) с изолированным основанием.

Сравнение приемов уменьшения теплового сопротивления

Большинство традиционных силовых модулей разработаны с учетом возможности их монтажа к внешней системе принудительного воздушного охлаждения или охлаждающей плите с циркулирующей жидкостью. Как показано на рис. 1, слабыми звеньями на пути теплового канала традиционного IGBT-модуля являются IGBT-кристалл, припой крепления кристалла, металлокерамическая подложка (медь сплавлена с окисью алюминия или нитридом алюминия), припой крепления подложки, металлическое или композитное основание, материал теплового интерфейса и внешний охладитель. Изоляционный материал обеспечивает электрическую изоляцию между кристаллом и основанием модуля. Нитрид алюминия (AlN) более предпочтителен, нежели оксид алюминия (Al2O3), поскольку обладает более высокой теплопроводностью. При многоуровневом прохождении теплового потока такая конфигурация не отвечает требованиям эффективного охлаждения устройств с плотностью рассеиваемой мощности свыше 250–300 Вт/см2.

 Срезы различных концепций охладителей

Рис. 1. Срезы различных концепций охладителей

Не так давно появились два дополнительных способа повышения эффективности охлаждения силового модуля. В одном из подходов делается упор на уменьшение теплового сопротивления посредством исключения слоев между кристаллом и охлаждающей средой, а также уменьшением толщины и/или теплового сопротивления остающихся слоев. Другой метод направлен на повышение КПД охлаждающей плиты при увеличении теплообмена между корпусом охладителя и охлаждающей жидкостью. На рис. 1 представлены поперечные разрезы пяти концепций охладителей с применением одного или обоих способов (охлаждаемый традиционным жидкостным охладителем модуль приведен для сравнения).

Именно эти концепции были выбраны в связи с их доступностью на рынке в настоящее время либо с ожидающимся запуском в серийное производство в ближайшем будущем (табл. 1). Сравнение произведено для моделей с IGBT-модулями (1200 В).

Таблица 1. Особенности различных концепций охладителей

Концепция охладителя Поток жидкости Площадь теплообразования Площадь охлаждающей поверхности Примечания
AlN, игольчатые ребра [1] Параллельный 1,0 4,6 Диаметр ребра — 1 мм
Высота ребра — 3 мм
Шаг ребра — 2 мм
Ребра располагаются в шахматном порядке
Полученные данные для AlN-слоя толщиной 1 мм были уменьшены на 0,222 см2·°С/Вт для имитации AlN-слоя толщиной 0,635 мм
AlN-слой припаян к медным микроканалам стандартного потока [8] Стандартный   6,7 (только для сравнения с концепцией 4) Rth кристалла AlN — 0,149 см2·°С/Вт было прибавлено к значениям, взятым из технической документации на охлаждающую плиту NCP-A-10-20
AlN-слой с интегрированными микроканалами параллельного потока [3] Параллельный 4,0 11,6 Использованы данные из технической документации на 11-слойную структуру AlN QUA
AlN-слой с интегрированными DBC-микроканалами стандартного потока [7] Стандартный 2,9 6,7 Использованы данные из технической документации
AlN-слой припаян к игольчатым AlSiC-ребрам [2] Параллельный 34,8 34,8 Диаметр ребра — 4 мм
Высота ребра — 4 мм
Шаг ребра — 4,3 мм
Ребра располагаются в шахматном порядке
Rth кристалла AlN — 0,149 см2·°С/Вт было прибавлено к данным, взятым из технической документации

В двух из пяти охладителей (3 и 4) кремниевый кристалл скреплен со слоем нитрида алюминия (AlN) толщиной 0,635 мм, 0,305-мм слоем DBC-керамики, обычно используемой в IGBT-модулях, поэтому опубликованные данные были использованы, как они есть. Для остальных охладителей потребовалась корректировка для привязки к удельному тепловому сопротивлению жидкости прототипной модели IGBT-модуля. Например, если данные теплопроизводительности, отраженные в технической документации, относились только к охлаждающей плите, то для определения общего удельного теплового сопротивления участка вход–вода на входе добавляли рассчитанное удельное тепловое сопротивление IGBT-кристалла, DBC-керамики с AlN и соответствующих припоев. Для вычисления теплового сопротивления использовали простой расчет одномерного теплового потока без рассеивания:

  • тепловое сопротивление = толщина слоя;
  • удельная тепловодность × поверхность.

В целях упрощения задачи сравнения пяти концепций охладителей удельное тепловое сопротивление определялось на поверхности 1 см2. Необходимо отметить, что значения удельного теплового сопротивления, полученные при помощи этой простой модели, были меньше реальных значений, которые покажут КПД первой, второй и пятой концепций.

Концепции 1 и 5 представляют собой игольчатые охладители, в которых для увеличения передачи тепла жидкости применяется турбулентный поток, проходящий сквозь ряды ребер, расположенных в шахматном порядке. В обеих концепциях охлаждающая жидкость течет параллельно поверхности источника тепла. Охладитель первой концепции состоит из медных иголок, припаянных твердым припоем непосредственно под слоем DBC-керамики AlN-изолятора. AlN-ребра припаяны к медному основанию, прикрученному к металлическому бруску, служащему в качестве коллектора входных/выходных клапанов и канала потока [1]. Последний был разработан для уменьшения потока воды вне реберного массива. Такая охлаждающая плита содержит слой AlN толщиной 1 мм, поэтому измеренное удельное тепловое сопротивление участка вход–вода было уменьшено расчетным фактором в 0,0215 см2·°С/Вт (разница между толщиной слоя AlN в 1 мм и 0,635 мм) для возможности прямого сравнения с другими концепциями. Охладитель концепции 5 представляет собой отдельно взятую алюминиево-кремнистую карбидную плиту (AlSiC) c впрессованными AlSiC-ребрами [2]. При сравнении с другими концепциями расчетное удельное тепловое сопротивление 0,149 см2·°С/Вт прибавили к полученным значениям для имитации слоев от кристалла к поверхности охлаждающей плиты. Толщина слоев и значения удельного теплового сопротивления представлены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства слоев, использованные при вычислении удельного теплового сопротивления сравниваемых охладителей

Слой Теплопроводность, Вт/мК Тощина слоя, мм Удельное тепловое сопротивление, см2·°С/Вт
Кристалл (+100 °С) 100 0,250 0,025
Припой 36 0,127 0,036
Верхний слой DBC-керамики на нитриде алюминия 393 0,305 0,008
Нитрид алюминия 170 0,635 0,037
Нижний слой DBC-керамики на нитриде алюминия 393 0,305 0,008
Припой 36 0,127 0,035

Концепция 3 представляет собой охладитель с микроканалами, по которым охлаждающая жидкость протекает параллельно поверхности самого охладителя [34]. В производстве такого охладителя применяется технология бесклеевого соединения меди с AlN для ламинирования до 11 медных слоев с отверстиями, сформированными травлением, между двумя AlN-слоями. Отверстия в каждом слое смещены с целью образования змеевикового канала для охлаждающей жидкости, увеличения площади поверхности и обеспечения турбулентности потока. IGBT-матрица припаяна к поверхности AlN-слоя, что позволяет интегрировать такую модель непосредственно в корпус модуля.

В настоящее время серийно выпускаются охладители второй концепции, представляющие собой отдельно взятую плиту со стандартным потоком охлаждающей жидкости в микроканалах, падающей на поверхность теплоприемника под прямыми углами [5]. Аналогично охладителю концепции 5, удельное тепловое сопротивление 0,149 см2·°С/Вт было добавлено к полученным значениям для имитации слоев от кристалла к поверхности охлаждающей плиты.

Концепция 4 представлена охладителем со стандартным потоком охлаждающей жидкости в микроканалах, выфрезерованых в слое DBC-керамики AlN-слоя, соединенного с коллекторной плитой, которая доставляет поток охлаждающей жидкости к DBC-слою [6]. В связи с тем, что были взяты реальные данные IGBT-модуля (1200 В) [7], в пересчете и подгонке не было необходимости. В данном случае, как и для концепций 1 и 3, охлаждающая жидкость находилась настолько близко к кристаллу, насколько это возможно в реальных условиях.

При выборе оптимальной системы охлаждения разработчики силовых модулей должны учитывать удельное тепловое сопротивление, скорость потока, падение давления, вид охлаждающей жидкости, габариты, вес, надежность и стоимость. Сравним первые три рабочие характеристики. Сравнение охладителей по основанию абсолютной скорости потока может быть недостаточно достоверным, так как они заведомо различаются по размеру и форме и варьируются по площади теплообразования и охлаждающей поверхности. Эти различия отражены в таблице 1.

Более основательные результаты могут быть получены при нормировании абсолютной скорости потока каждого охладителя к общей площади охлаждающей поверхности. Данный способ особенно подходит для сравнения охладителей со стандартным потоком, так как, в основном, поток воды на входе и поверхность охлаждения параллельны. График удельного теплового сопротивления (вход–вода) для IGBT-модуля (1200 В) с каждым из охладителей строится как зависимость скорости потока воды от общей площади поверхности охлаждения (рис. 2). Вследствие того, что один и тот же объем воды требуется для охлаждения целой поверхности теплоотвода, для охладителей с параллельными потоками необходимы меньшие скорости потоков. Однако повышение температуры охлаждающей жидкости при увеличении длины пути водяного потока может привести к неоднородности температур внутри силового модуля.

 Сравнение удельного теплового сопротивления  для IGBT-модуля

Рис. 2. Сравнение удельного теплового сопротивления (вход–вода) для IGBT-модуля (1200 В) с каждым из пяти охладителей и зависимости скорости потока воды от общей площади поверхности охлаждения

Наконец, зависимость удельного теплового сопротивления от падения давления показана на рис. 3. В сравнении с моделями с параллельном потоком охладители со стандартным потоком показывают незначительное падение давления. Данный показатель в охладителях с параллельным потоком обуславливается величиной коэффициента зависимости длины канала к его ширине. Один из способов сокращения падения давления и повышения однородности температуры в таких охладителях — уменьшение этого коэффициента: чем ниже коэффициент, тем более схожими становятся охладители со стандартным и параллельным потоками, что результируется в дальнейшем увеличении скорости потока у последнего.

 Сравнение зависимости сопротивления  от падения давления воды

Рис. 3. Сравнение зависимости удельного теплового сопротивления (вход–вода) от падения давления воды для IGBT-модуля (1200 В) с каждым из пяти охладителей

Заключение

В статье рассмотрены несколько методов повышения теплопроизводительности мощных силовых полупроводниковых модулей на примере IGBT-модуля (1200 В) с изолированным основанием. Изменение пути теплового потока привело к уменьшению удельного теплового сопротивления. Как и предполагалось, охладители со стандартными потоками, благодаря коротким каналам, показали падение давления, менее значительное по сравнению с охладителями с параллельными потоками.

Литература

  1. Litvinov A. Powerex Inc. Private Communication. July 2006.
  2. Moores K., Joshi Y. and Schiroky G. Thermal Characterization of a Liquid Cooled AlSiC Baseplate with Integrated Pin Fins // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2001. Vol. 24.
  3. Credle K., Exel K., Meyer A., Shulz-Harder J. New Generation of DBC Substrates for High Efficient Cooling of Power Devices // Proceedings of PCIM’98. http://www.electrovac.com
  4. Schulz-Harder J. Efficient Cooling of Power Electronics // Proceedings of PCIM’2006. China.
  5. Valenzuela J., Jasinski T., Sheikh Z. Liquid Cooling for High Power Electronics Technology // Power Electronics Technology. 2005.
  6. Solovitz S., Stevanovic L., Beaupre R. Microchannel Thermal Management of High Power Devices // Proceedings of APEC). Dallas, Texas. 2006.
  7. Stevanovic L., Solovitz S., Beaupre R. Advanced Power Module with Integrated Microchannel Cooling // Proceedings of the Electric Machines Technology Symposium. Philadelphia, Pennsylvania. 2006.
  8. Mikros Datasheet. Normal Flow Cold Plate NCP-A-10-20. http://www.mikrostechnologies.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory