Qu’est-ce que l’IGBT ?
L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transformer) est un dispositif essentiel pour la transformation et la transmission d'énergie, communément appelé « CPU » des appareils électroniques de puissance. Il est largement utilisé dans des domaines tels que le transport ferroviaire, les réseaux intelligents, l’aérospatiale, les véhicules électriques et les nouveaux équipements énergétiques.
Le module IGBT est un produit semi-conducteur modulaire, qui est emballé par IGBT (puce de transistor bipolaire à grille isolée) et FWD (puce de diode Flyback) via un assemblage spécifique. Le module IGBT peut encapsuler plusieurs puces IGBT en interne, obtenant ainsi une capacité de traitement de courant élevé pour éviter le problème de l'augmentation de la zone active tout en réduisant le rendement de la puce IGBT. Par rapport aux modules à puce unique, les modules de conditionnement dotés de plusieurs puces IGBT internes ont une structure plus responsable et des exigences plus élevées en matière de gestion thermique. En tant que dispositif d'alimentation à forte génération de chaleur et fortement affecté par la température, le module IGBT doit contrôler la température du nœud dans une plage raisonnable en fonctionnement réel pour garantir un fonctionnement normal. Une température de fonctionnement trop élevée modifiera la constante physique du semi-conducteur et les paramètres internes du dispositif, ce qui empêchera le module IGBT de fonctionner correctement et affectera même sa durée de vie dans les cas graves.
Technologie de refroidissement IGBT
À l'heure actuelle, les méthodes de refroidissement largement utilisées pour les IGBT sur le marché comprennent la technologie de refroidissement par air, la technologie de refroidissement par caloduc et la technologie de refroidissement par eau.
Technologie de refroidissement par air
La technologie de refroidissement par air utilise la zone de transfert de chaleur par convection de l’air pour dissiper la chaleur. Il peut être divisé en refroidissement par air passif à convection naturelle et refroidissement par air à convection forcée active. Le refroidissement de l'air par convection naturelle est principalement dû au contraste de densité provoqué par la différence de température de l'air à différentes positions, qui génère une flottabilité en tant que force motrice pour amener le canal de flux d'air environnant à évacuer la chaleur. Le radiateur de ce mode de refroidissement est de structure simple et facile à entretenir, mais sa capacité d'échange thermique est médiocre et ne peut être utilisé que pendant la période de faible puissance de refroidissement et de faible génération de chaleur. Avec l'intégration des dispositifs de puissance IGBT et le développement de la haute puissance, la demande de refroidissement augmente de jour en jour, et utiliser uniquement le refroidissement naturel par air pour le refroidissement est loin d'être suffisant.
Pour répondre aux besoins de dissipation thermique, un ventilateur est installé sur le dispositif IGBT pour favoriser la convection d'air forcée. La résistance thermique du refroidissement par air par convection forcée peut être réduite d'un cinquième à un cinquième de celle du refroidissement par air par convection naturelle, ce qui augmente considérablement la capacité de dissipation thermique. Cependant, en raison de l'ajout de ventilateurs et d'autres appareils, il est nécessaire de concevoir des conduits d'air, d'effectuer un entretien régulier, de réduire la fiabilité du système, de réduire l'intégration des appareils et d'avoir un bruit important lors du travail.
Afin de fournir l'efficacité de refroidissement de la technologie de refroidissement par air, un dissipateur thermique est généralement installé sur le module IGBT pour augmenter la surface d'échange thermique, communément appelé dissipateur thermique à ailettes. Après des recherches et optimisations approfondies par AWIND, les radiateurs refroidis par air, en particulier les radiateurs à ailettes parallèles en aluminium, ont une conception simple et des processus de fabrication matures, ce qui en fait le dispositif de dissipation thermique le plus couramment utilisé dans le refroidissement actuel des IGBT. Cependant, en raison de problèmes tels qu'une faible capacité spécifique de l'air et une faible conductivité thermique, même le refroidissement par air à convection forcée a une capacité de dissipation thermique limitée et ne peut pas répondre efficacement aux besoins de dissipation thermique de la densité de flux thermique élevée actuelle et du chauffage instantané rapide des modules intégrés IGBT.
Technologie de refroidissement par caloduc
Le caloduc est principalement composé d'une coque scellée, d'un noyau d'aspiration de liquide et d'un canal de vapeur. Une certaine quantité de liquide est versée dans le tuyau. Une extrémité du caloduc est une section d’évaporation et l’autre extrémité est une section de condensation. Pendant le processus de travail, la section d'évaporation absorbe la chaleur générée par la source de chaleur, provoquant la vaporisation du liquide dans le noyau d'aspiration de liquide environnant. Ensuite, la chaleur se déplace avec la vapeur de la section d'évaporation du caloduc vers la section de condensation, et la vapeur se condense en un liquide dans la section de condensation et transfère la chaleur vers le monde extérieur ; Le liquide condensé retourne à la section d'évaporation par l'action capillaire du noyau d'aspiration sur la paroi du tuyau, répétant le processus de cycle ci-dessus, transférant continuellement la chaleur d'une extrémité à l'autre, réalisant ainsi une dissipation thermique.
Par rapport à la technologie de refroidissement par air à convection forcée, l’introduction de caloducs améliore considérablement les performances du dissipateur thermique. De plus, la fiabilité du dissipateur thermique à caloduc est élevée et le risque de fuite de réfrigérant est faible. Par conséquent, il existe également une certaine base d’applications sur le marché actuel de la gestion thermique IGBT. Mais la plupart des dissipateurs thermiques à caloduc, comme les radiateurs refroidis par air, nécessitent un ventilateur externe pour obtenir une efficacité de dissipation thermique plus élevée. Par conséquent, l'efficacité de fonctionnement des dissipateurs thermiques à caloducs est également affectée par la forme du ventilateur, la vitesse du vent, la température ambiante et d'autres facteurs, qui nécessitent un entretien régulier et peuvent générer du bruit pendant le fonctionnement. De plus, l'ajout d'une structure de caloduc augmente la taille globale du dissipateur thermique, ce qui ne favorise pas l'amélioration de la compacité et de l'intégration du module IGBT.
Technologie de refroidissement par eau
L'eau a une bonne conductivité thermique, une grande capacité thermique spécifique et presque aucune pollution. Comparé au refroidissement par air, le refroidissement par eau a une efficacité de dissipation thermique plus élevée, une taille plus petite, une disposition plus facile du système de refroidissement et est plus adapté au système de refroidissement de module IGBT haute puissance. Par conséquent, la technologie de refroidissement par eau a rapidement été largement utilisée, devenant le mode de refroidissement principal du système de refroidissement des modules IGBT haute puissance. Combinez les deux composants indépendants du module IGBT et de la plaque de refroidissement par eau pour former un dissipateur thermique séparé, qui utilise le flux de circulation d'eau à l'intérieur de la plaque froide pour évacuer la chaleur du module IGBT.
L'uniformité de la température de la plaque de refroidissement liquide doit également être prise au sérieux. En particulier pour les puces IGBT, leur efficacité de conversion de puissance augmentera à mesure que la température de jonction de la puce IGBT diminuera. Une mauvaise uniformité de température entraînera des températures de jonction différentes entre les puces IGBT à différentes positions, ce qui entraînera des puissances de sortie différentes pour chaque puce IGBT, ce qui est très préjudiciable au fonctionnement et à la fiabilité du module. Awind possède de nombreuses années d'expérience dans la conception de plaques froides liquides pour assurer l'équilibre de la température. Assure le fonctionnement normal des appareils IGBT.
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