صفحات سرد مایع برای ماژول‌های IGBT

۱. ماژول igbt چیست؟

در خودروهای الکتریکی، تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر، حمل و نقل ریلی و اتوماسیون صنعتی، ماژول‌های igbt به سمت چگالی توان بالاتر، فضای اشغالی کمتر و دمای اتصال بالاتر در حال تکامل هستند. با این حال، با افزایش چگالی توان تراشه، فضای خنک‌کننده موجود به سرعت کاهش می‌یابد. مطالعات نشان می‌دهد که مسائل حرارتی باعث بیش از 50٪ از خرابی‌های مدارهای مجتمع می‌شوند. برای الکترونیک قدرت، حدود 55٪ از خرابی‌های igbt مربوط به دما هستند. خنک‌کننده‌های سنتی هوا ضریب انتقال حرارت همرفتی محدود (تقریباً 37 وات بر سانتی‌متر مربع در بهترین حالت) و حجم زیادی دارند که آن را برای ماژول‌های برق نسل بعدی ناکافی می‌کند. فناوری صفحه سرد مایع به عنوان یک راه‌حل اصلی برای مدیریت حرارتی تراشه‌های پرقدرت ظهور کرده است.

۲. چالش‌های حرارتی igbtها و محدودیت‌های خنک‌کننده‌های سنتی

یک ماژول igbt گرمای قابل توجهی تولید می‌کند. برای یک اینورتر ۱۰۰ کیلوواتی با راندمان ۹۸٪، حدود ۲ کیلووات گرما باید توسط سیستم مدیریت حرارتی حذف شود. علاوه بر این، توزیع گرما یکنواخت نیست؛ نقاط داغ محلی روی سطح تراشه می‌توانند بسیار داغ‌تر از دمای متوسط باشند و این نقاط داغ عملکرد دینامیکی و عمر مفید را محدود می‌کنند.

دما به شدت با خرابی igbt مرتبط است. یک مطالعه آماری از خرابی‌های توربین بادی در ۲۳ کشور بین سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۱۷ نشان داد که خرابی ماژول igbt عامل ۲۲٪ از خرابی‌های برنامه‌ریزی نشده مبدل است - یکی از مستعدترین اجزا برای خرابی در سیستم‌های بادی. شتاب/کاهش مکرر سرعت در وسایل نقلیه باعث چرخه شدید برق و نوسانات دما می‌شود که منجر به خستگی سیم اتصال، لایه لایه شدن لحیم و سایر خرابی‌های خستگی حرارتی می‌شود. فرار حرارتی می‌تواند باعث اتلاف برق در وسایل نقلیه الکتریکی شود که یک خطر جدی برای ایمنی است.

از دیدگاه مقاومت حرارتی، اتلاف حرارت igbt یک مشکل مقاومت حرارتی سری چند لایه است. مقاومت حرارتی سطح مشترک بیش از 60٪ از کل را تشکیل می‌دهد و آن را به گلوگاه اصلی تبدیل می‌کند. در مقاومت اتصال به بدنه، زیرلایه سرامیکی dbc (مس پیوند مستقیم) عامل غالب (بیش از 75٪) است. خنک‌کننده‌های سنتی هوا از سه محدودیت عمده رنج می‌برند: ضریب انتقال حرارت پایین، توانایی ضعیف در حذف نقاط داغ محلی و حجم زیاد سیستم که با کوچک‌سازی سیستم در تضاد است.

۳. چگونه صفحات سرد مایع کار و طبقه بندی آنها

یک صفحه سرد مایع (که به آن صفحه خنک‌کننده، صفحه خنک‌کننده مایع یا صفحه خنک‌کننده آب نیز گفته می‌شود) از همرفت اجباری مایع برای حذف گرما استفاده می‌کند. اصل کار ساده است: گرما از ماژول igbt از طریق یک رابط حرارتی به پایه صفحه سرد منتقل می‌شود، سپس توسط مایع خنک‌کننده که از طریق کانال‌های داخلی جریان دارد، حمل می‌شود. مایع خنک‌کننده گرم شده به یک مبدل حرارتی گردش می‌کند، خنک می‌شود و برمی‌گردد.

بر اساس فرآیندهای تولید و اشکال ساختاری، چهار نوع اصلی صفحات سرد igbt امروزه در مهندسی استفاده می‌شوند.

۳.۱ صفحات سرد مایع سنتی

طرح‌های سنتی شامل انواع سوراخ‌دار، مونتاژ شده، جوش داده شده و لوله‌ای هستند. این نوع صفحات پردازش ساده‌تر و هزینه کمتری دارند و برای ماژول‌های igbt با چگالی توان کم تا متوسط مناسب هستند. در میان آنها، صفحه سرد لوله‌ای (یا صفحه سرد مایع لوله‌ای) لوله‌های مسی یا استیل ضد زنگ را در شیارهای یک صفحه پایه آلومینیومی جاسازی می‌کند که با لحیم‌کاری یا اپوکسی ثابت می‌شود. این نوع صفحات عملکرد حرارتی و عمر مفید بهتری نسبت به صفحات سوراخ‌دار معمولی ارائه می‌دهند.

۳.۲ صفحات سرد مایع لوله

صفحات سرد مایع لوله‌ای (که به آنها صفحه سرد خنک‌شونده با آب یا صفحه سرد لوله‌ای نیز گفته می‌شود) از لوله‌های مسی یا استیل ضد زنگ به عنوان کانال‌های خنک‌کننده استفاده می‌کنند که در یک صفحه پایه آلومینیومی جاسازی شده و با چسب حرارتی یا لحیم‌کاری ثابت می‌شوند. مزایای آنها شامل ساخت ساده، هزینه کم و طرح‌بندی انعطاف‌پذیر لوله (مثلاً مارپیچ یا U شکل) است که می‌تواند با توزیع گرمای igbt مطابقت داشته باشد. آنها برای چگالی توان متوسط، درایوهای صنعتی حساس به هزینه و اینورترهای خورشیدی مناسب هستند. قطر معمول لوله 6 تا 12 میلی‌متر است و فشار عملیاتی معمولاً کمتر از 0.5 مگاپاسکال است.

۳.۳ صفحات سرد مایع fsw

صفحات سرد مایع fsw (جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی) از یک پین چرخشی برای تولید گرمای اصطکاکی، نرم کردن ماده و ایجاد جوش حالت جامد بین پوشش و صفحه پایه شیاردار استفاده می‌کنند. این فرآیند هیچ تخلخل، ترک و فلز پرکننده‌ای ایجاد نمی‌کند و در نتیجه استحکام جوش بالا، آب‌بندی عالی و عدم تغییر شکل کانال جریان را به همراه دارد. صفحات سرد fsw برای اینورترهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی و مبدل‌های حمل و نقل ریلی که در آن‌ها قابلیت اطمینان طولانی مدت بسیار مهم است، ایده‌آل هستند. عرض کانال معمولی 4 تا 10 میلی‌متر است و مقاومت فشاری می‌تواند به 1.5 تا 2.0 مگاپاسکال برسد.

۳.۴ صفحات سرد مایع اکسترود شده

صفحات سرد مایع اکسترود شده (یا صفحه سرد آلومینیومی، صفحه خنک‌کننده آلومینیومی) با اکستروژن آلومینیوم با استفاده از یک قالب اختصاصی برای تولید کانال‌های جریان چند موازی در یک مرحله تشکیل می‌شوند، سپس برش داده می‌شوند، در انتها آب‌بندی می‌شوند و ماشینکاری می‌شوند. مزایای کلیدی آن راندمان تولید بالا و هزینه واحد پایین، با ابعاد کانال ثابت است که برای تولید استاندارد با حجم بالا ایده‌آل است. با این حال، کانال‌ها معمولاً مستقیم هستند و بهینه‌سازی پره را محدود می‌کنند. این صفحات در اینورترهای عمومی و ماژول‌های شارژ خودروهای برقی که چگالی توان متوسط است، استفاده می‌شوند. قطر هیدرولیکی معمول 2 تا 5 میلی‌متر است.

۳.۵ صفحات سرد مایع لحیم کاری شده

صفحات سرد مایع لحیم‌کاری شده (یا صفحه سرد لحیم‌کاری شده) با لحیم‌کاری در خلأ یا اتمسفر کنترل‌شده، یک صفحه پایه کانال جریان مهر و موم شده را به یک صفحه پوششی متصل می‌کنند. این امر امکان ساخت ساختارهای پیچیده داخلی پره مانند پره‌های سوزنی، پره‌های مورب و توربولاتورها را فراهم می‌کند. لحیم‌کاری آزادی طراحی بسیار بالایی را ارائه می‌دهد و امکان انتقال حرارت افزایش‌یافته را در اندازه‌ای جمع‌وجور، با آب‌بندی خوب و تنش پسماند کم فراهم می‌کند. صفحات سرد مایع لحیم‌کاری شده اولین انتخاب برای ماژول‌های igbt و سیک با چگالی توان بالا هستند که به‌طور گسترده در درایوهای اصلی خودروهای برقی ممتاز، مبدل‌های بادی و منابع تغذیه صنعتی رده بالا استفاده می‌شوند. اندازه کانال‌ها می‌تواند به کوچکی ۱ تا ۳ میلی‌متر باشد. با پره‌های سوزنی، مقاومت حرارتی به‌طور قابل‌توجهی کمتر از انواع اکسترود شده یا لوله‌ای است. لحیم‌کاری در خلأ قابل اعتمادترین فرآیند است.

۳.۶ مقایسه مقاومت حرارتی و ساختار در بین معماری‌های مختلف صفحه سرد

برای کمک به انتخاب مهندسی، جدول 1 پارامترهای کلیدی حرارتی و ساختاری چهار صفحه سرد igbt (از جمله لوله‌های سنتی به عنوان پایه) را مقایسه می‌کند.

جدول 1: مقاومت حرارتی و مقایسه ساختاری معماری‌های مختلف صفحات سرد مایع

۴. بهینه‌سازی عملکرد: طراحی کانال جریان و میکرو-فین

عملکرد خنک‌سازی یک سیستم خنک‌کننده صفحه سرد به شدت به طراحی کانال جریان داخلی و پره بستگی دارد. تحقیقات فعلی بر روی حوزه‌های زیر متمرکز است.

ساختار پره: مطالعه‌ای بر روی خنک‌کننده مایع برای سه ماژول igbt در یک درایو موتور صنعتی که پره‌های مستقیم، پره‌های مارپیچ و پره‌های مورب را با هم مقایسه می‌کند، تأیید می‌کند که پره‌های پیچیده، همرفت را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، یک صفحه خنک‌کننده مایع جریان لایه‌ای با پره‌های میکرومقیاس مورب، در مقایسه با یک صفحه سرد میکروکانال مستطیلی تحت همان نرخ جریان، افزایش ۳ برابری در ضریب انتقال حرارت، کاهش ۱.۴ درجه سانتیگراد در دمای اوج تراشه، بهبود ۳۷.۸ درصدی در یکنواختی دما و کاهش بیش از ۱۵ درصدی در مقاومت جریان را به دست آورد و امکان خنک‌سازی قابل اعتماد یک تراشه ۸۰۰ واتی را فراهم کرد.

بهینه‌سازی توپولوژی: مطالعه‌ای با استفاده از بهینه‌سازی توپولوژی دو هدفه (حداکثر انتقال حرارت، حداقل مقاومت جریان) برای یک صفحه سرد igbt نشان داد که در مقایسه با یک صفحه سرد با کانال مستقیم، صفحه سرد بهینه شده با توپولوژی به 26.3٪ افت فشار کمتر، 64.7٪ مقاومت حرارتی کمتر و 16.3٪ ضریب انتقال حرارت بالاتر دست یافت.

یکنواختی دما: یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه علوم و فناوری اطلاعات نانجینگ، یک صفحه سرد مایع نوآورانه با کانال‌های مارپیچ، پره‌های بهبود یافته و توربولاتورهای پلکانی ارائه داد. نتایج تجربی نشان داد که افزایش سرعت جریان مایع خنک‌کننده، دمای اوج دستگاه را تقریباً 22 کلوین کاهش می‌دهد و عملکرد حرارتی پایداری را در یک محدوده جریان خاص ارائه می‌دهد.

بده بستان بین سرمایش و توان پمپاژ: در یک سیستم خنک‌کننده صفحه سرد، افزایش نرخ جریان، انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد، اما مصرف توان پمپ را نیز به صورت غیرخطی افزایش می‌دهد. در خودروهای الکتریکی، افت فشار اضافی 10 کیلوپاسکال ممکن است چندین تا ده‌ها وات توان پمپ را از بین ببرد که باید در بودجه توان سیستم در نظر گرفته شود.

۵. تکامل معماری: از خنک‌کننده غیرمستقیم تا صفحه سرد مایع تعبیه‌شده/dbc-integrated

در معماری‌های خنک‌کننده سنتی، ماژول igbt دارای یک پشته چند لایه "تراشه - dbc - صفحه پایه (cu یا alسیک) - صفحه سرد" است که هر لایه مقاومت حرارتی را افزایش می‌دهد. همانطور که اشاره شد، مقاومت حرارتی سطح مشترک بیش از 60٪ از کل است.

برای غلبه بر این مشکل، یک معماری نوآورانه - صفحه سرد مایع جاسازی‌شده یا یکپارچه‌شده با dbc - پدیدار شده است. ایده این است که زیرلایه dbc مستقیماً در صفحه سرد ادغام شود و با استفاده از فرآیندهای دمای بالا، مس و سرامیک (al₂o₃ یا aln) به یک ساختار یکپارچه متصل شوند. کانال‌های خنک‌کننده مستقیماً زیر تراشه قرار می‌گیرند و فقط توسط dbc از هم جدا می‌شوند و مسیر هدایت گرما را به طرز چشمگیری کوتاه می‌کنند.

سه مزیت عمده: (1) حذف صفحه پایه و زمان خارجی، که مقاومت حرارتی کل را به شدت کاهش می‌دهد؛ (2) وضوح کانال تا 0.3 میلی‌متر، همراه با مس با رسانایی بالا، عملکرد ایزوترمال عالی را به دست می‌دهد؛ (3) از طرح‌بندی‌های فشرده با چگالی توان بالا و نصب دو طرفه اجزا پشتیبانی می‌کند. پارامترهای کلیدی مواد برای این طرح یکپارچه در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: پارامترهای کلیدی مواد برای صفحه سرد مایع یکپارچه dbc (منبع: خنک‌کننده الکترونیک، 2025)

این روند ادغام با رشد بازار ماژول‌های igbt با خنک‌کننده مستقیم همسو است.

۶. انتخاب مواد و فناوری خنک‌کننده

انتخاب مواد برای صفحه سرد، رسانایی حرارتی، قابلیت ماشینکاری و هزینه را متعادل می‌کند. رایج‌ترین انتخاب، آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ است که رسانایی حرارتی آن حدود ۱۸۰ تا ۲۳۰ w/(m·k) است. مس حدود ۴۰۱ w/(m·k) ارائه می‌دهد، اما چگالی آن سه برابر آلومینیوم است و هزینه آن بسیار بیشتر است و فقط در کاربردهای سطح بالا با نیازهای خنک‌کننده دقیق استفاده می‌شود.

خنک‌کننده یک حامل حیاتی برای انتقال حرارت است. مطالعه‌ای که در مهندسی حرارتی کاربردی منتشر شد، آب دیونیزه، آب تصفیه‌شده، محلول 20٪ اتیلن گلیکول-آب و hfe7100 را مقایسه کرد. در re = 1400، معیار ارزیابی عملکرد کلی آب دیونیزه (pec) به ترتیب 9.3٪، 24.5٪ و 163.9٪ بیشتر از آب تصفیه‌شده، 20٪ اتیلن گلیکول و hfe7100 بود. re = 1400 (سرعت جریان ~0.5-0.6 متر بر ثانیه) به عنوان محدوده عملیاتی بهینه برای افت فشار کم شناسایی شد. در سیستم‌های عملی، مخلوط 50٪ اتیلن گلیکول-آب به طور گسترده استفاده می‌شود و محافظت در برابر یخ‌زدگی و رسانایی حرارتی خوبی را ارائه می‌دهد.

۷. فرآیندهای تولید و آزمایش قابلیت اطمینان

جوشکاری/آب‌بندی یک صفحه سرد مایع مستقیماً بر قابلیت اطمینان درازمدت تأثیر می‌گذارد. برای چهار نوع اصلی: لوله‌ای از جاسازی لوله + لحیم‌کاری سخت یا پرس‌کاری استفاده می‌شود؛ fsw از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی استفاده می‌شود؛ اکسترود شده از اکستروژن + آب‌بندی انتهایی استفاده می‌شود؛ لحیم‌کاری سخت از لحیم‌کاری در خلاء یا اتمسفر استفاده می‌شود. لحیم‌کاری سخت در خلاء و fsw فرآیندهای اصلی برای صفحات سرد با قابلیت اطمینان بالا هستند.

عیوب رایج جوشکاری شامل تخلخل، گسترش بیش از حد، ترک‌های ریز داخلی، اتصال ضعیف و انسداد کانال جریان است. برای صفحات سرد fsw و لحیم‌کاری سخت، آب‌بندی جوش و تمیزی داخلی باید به دقت بررسی شود.

مسطح بودن یکی دیگر از عوامل کلیدی است. طبق نظریه تماس هرتز، حتی سطوح صاف ماکروسکوپی نیز دارای قله‌ها و دره‌های میکروسکوپی هستند؛ سطح تماس واقعی بسیار کوچکتر از سطح اسمی است. انحرافات مسطح بودن در سطح میکرون می‌تواند باعث افزایش چشمگیر مقاومت حرارتی سطح مشترک شود. معیارهای پذیرش معمول برای سیستم‌های خنک‌کننده صفحه سرد عبارتند از:

• نشتی: تست نشتی هلیوم، نشتی ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s یا ≤ 0.05 میلی‌لیتر در دقیقه @ 0.5–2.0 mpa

• مقاومت در برابر فشار: تست ترکیدگی هیدرولیک ≥ ۳× فشار کاری (معمولاً ≥ ۳.۰ مگاپاسکال)

• صافی: ≤ 0.05 میلی‌متر در هر 100 میلی‌متر (به طور کلی ≤ 0.1 میلی‌متر)

• پاکیزگی: ذرات ≤ 10 میلی‌گرم بر متر مربع

۸. ارزش صفحات سرد مایع در زمینه‌های کاربرد igbt

وسایل نقلیه الکتریکی: صفحه خنک‌کننده مایع، گرمای ناشی از اینورتر کششی را دفع می‌کند و مستقیماً بر توان خروجی موتور تأثیر می‌گذارد. ماژول‌های سیک چگالی توان ۲ تا ۳ برابر igbt های سنتی دارند. صفحات خنک‌کننده مایع لوله‌ای، fsw یا لحیم‌کاری شده کارآمد، نقاط داغ محلی را به طور مؤثر از بین می‌برند و برد و قابلیت اطمینان وسایل نقلیه الکتریکی را بهبود می‌بخشند.

اینورترهای بادی و خورشیدی: ماژول‌های igbt تحت بار زیاد و طولانی مدت کار می‌کنند؛ سیستم خنک‌کننده باید عمر طولانی و نگهداری کمی داشته باشد. صفحات سرد، دمای اتصال پایدارتر و نوسانات دمایی کمتری را فراهم می‌کنند و به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان را در شرایط سخت بهبود می‌بخشند.

حمل و نقل ریلی: برقی‌سازی نیاز به سرمایش را افزایش می‌دهد؛ سرمایش مایع فعال (با پمپ) کنترل دمای دقیق‌تری نسبت به همرفت طبیعی یا سرمایش با هوای فشرده فراهم می‌کند و قابلیت اطمینان را در محیط‌های دشوار افزایش می‌دهد.

(صفحات خنک‌کننده مشابه برای قطعات الکترونیکی همچنین در صفحه خنک‌کننده پردازنده برای پردازنده‌های با کارایی بالا، صفحه خنک‌کننده مایع باتری برای بسته‌های باتری خودروهای برقی و طرح‌های صفحه خنک‌کننده عایق‌بندی‌شده برای ایزولاسیون ولتاژ بالا استفاده می‌شوند.)

۹. چشم‌انداز بازار و روندهای فناوری

طبق گزارش qyresearch، بازار جهانی زیرلایه هیت سینک igbt به ... رسیده است. ۷۲۰ میلیون در سال ۲۰۲۴ و انتظار می‌رود تا سال ۲۰۳۱ به ۱.۱۶۵ میلیارد با نرخ رشد سالانه ۷.۷٪ برسد. در این رشد، صفحات سرد مایع - به ویژه انواع لحیم‌کاری شده و fsw - محرک‌های اصلی هستند. نرخ رشد سالانه ۱۷.۹٪ برای ماژول‌های igbt خنک‌شده با مایع مستقیم به طور قابل توجهی بالاتر از نرخ کلی ۷.۷٪ برای زیرلایه‌های igbt است که نشان دهنده نفوذ سریع فناوری خنک‌کننده مایع است.

یک مفهوم پیشرفته، صفحه سرد مایع با جت چند نازله برخوردی (mjilcp) برای توان حرارتی 1000 وات، که در کنفرانس ieee ارائه شد، در مقایسه با یک صفحه سرد خنک‌کننده کانال آسیاب‌شده معمولی، 14.3٪ مقاومت حرارتی کمتر و 19.3٪ توان پمپاژ کمتری نشان داد. برای دستیابی به مقاومت حرارتی 0.0236°c/w، mjilcp به 48٪ توان پمپ کمتری نیاز داشت.

تکامل آینده بر سه جهت متمرکز است:

1. ادغام عمیق: از خنک‌کننده غیرمستقیم گرفته تا ادغام dbc تعبیه‌شده، که مقاومت حرارتی را بیشتر کاهش می‌دهد.

2. طراحی هوشمند: طراحی به کمک هوش مصنوعی، بهینه‌سازی توپولوژی و تولید افزایشی برای کانال‌های جریان سفارشی (صفحه سرد مایع سفارشی، صفحات سرد سفارشی).

3. سازگاری چند سناریویی: راهکارهای سفارشی برای پلتفرم‌های ولتاژ بالای ۸۰۰ ولت، ارتفاعات بالا و غیره، احتمالاً شامل صفحه سرد نیتروژن مایع برای نیازهای شدید خنک‌کننده.

با پیشرفت تولید محلی و عمیق‌تر شدن انقلاب انرژی جدید، صفحات سرد مایع از اجزای کمکی به توانمندسازهای اصلی چگالی توان و قابلیت اطمینان در igbtها و الکترونیک قدرت گسترده‌تر تکامل خواهند یافت.