Сравнение некоторых концепций систем охлаждения мощных силовых полупроводниковых модулей

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.

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).

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.

Концепция 3 представляет собой охладитель с микроканалами, по которым охлаждающая жидкость протекает параллельно поверхности самого охладителя [3, 4]. 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.

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.

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