Plat Sejuk Cecair untuk Modul IGBT

1. Apakah modul IGBT?

Dalam kenderaan elektrik, penjanaan kuasa tenaga boleh diperbaharui, transit rel dan automasi perindustrian, modul IGBT sedang berkembang ke arah ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, jejak yang lebih kecil dan suhu simpang yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, apabila ketumpatan kuasa cip meningkat, ruang penyejukan yang tersedia mengecil dengan cepat. Kajian menunjukkan bahawa isu terma menyebabkan lebih daripada 50% kegagalan litar bersepadu; bagi elektronik kuasa, kira-kira 55% kegagalan IGBT berkaitan dengan suhu. Penyejukan udara tradisional mempunyai pekali pemindahan haba perolakan yang terhad (kira-kira 37 w/cm² paling baik) dan isipadu yang besar, menjadikannya tidak mencukupi untuk modul kuasa generasi akan datang. Teknologi plat sejuk cecair telah muncul sebagai penyelesaian teras untuk pengurusan terma cip berkuasa tinggi.

2. cabaran terma IGBT dan batasan penyejukan tradisional

Modul IGBT menghasilkan haba yang ketara. Untuk inverter 100 kw dengan kecekapan 98%, kira-kira 2 kw haba mesti dikeluarkan oleh sistem pengurusan haba. Tambahan pula, pengagihan haba tidak seragam; titik panas setempat pada permukaan cip boleh menjadi jauh lebih panas daripada suhu purata, dan titik panas ini mengehadkan prestasi dinamik dan hayat perkhidmatan.

Suhu berkait rapat dengan kegagalan IGBT. Satu kajian statistik kegagalan turbin angin merentasi 23 buah negara antara tahun 2003 dan 2017 menunjukkan bahawa kegagalan modul IGBT menyumbang 22% daripada masa henti penukar yang tidak dirancang – salah satu komponen yang paling mudah mengalami kegagalan dalam sistem angin. Pecutan/nyahpecutan yang kerap dalam kenderaan menyebabkan kitaran kuasa yang teruk dan perubahan suhu, yang membawa kepada keletihan wayar ikatan, penyalaan pateri dan kegagalan keletihan terma yang lain. Pelarian terma boleh menyebabkan kehilangan kuasa dalam kenderaan elektrik, satu bahaya keselamatan yang serius.

Dari perspektif rintangan haba, pelesapan haba IGBT merupakan masalah rintangan haba siri berbilang lapisan. Rintangan haba antara muka menyumbang lebih daripada 60% daripada jumlah keseluruhan, menjadikannya kesesakan utama. Dalam rintangan simpang ke kes, substrat seramik dbc (kuprum terikat langsung) merupakan penyumbang dominan (lebih 75%). Penyejukan udara tradisional mengalami tiga batasan utama: pekali pemindahan haba yang rendah, keupayaan yang lemah untuk menghapuskan titik panas setempat, dan isipadu sistem yang besar, yang bercanggah dengan pengecilan sistem.

3. bagaimana plat sejuk cecair kerja dan klasifikasinya

Plat sejuk cecair (juga dipanggil plat penyejuk, plat penyejuk cecair atau plat penyejuk air) menggunakan perolakan cecair paksa untuk menyingkirkan haba. Prinsip kerjanya mudah: haba daripada modul IGBT dipindahkan melalui antara muka haba ke tapak plat sejuk, kemudian dibawa oleh penyejuk yang mengalir melalui saluran dalaman; penyejuk yang dipanaskan beredar ke penukar haba, menyejuk dan kembali.

Berdasarkan proses pembuatan dan bentuk struktur, empat jenis plat sejuk IGBT arus perdana digunakan dalam kejuruteraan hari ini.

3.1 pinggan sejuk cecair tradisional

Reka bentuk tradisional termasuk jenis yang digerudi, dipasang, dikimpal dan bertiub. Ini mempunyai pemprosesan yang lebih mudah, kos yang lebih rendah dan sesuai untuk modul IGBT ketumpatan kuasa rendah hingga sederhana. Antaranya, plat sejuk bertiub (atau plat sejuk cecair tiub) membenamkan tiub kuprum atau keluli tahan karat ke dalam alur plat asas aluminium, yang dipasang dengan pateri atau epoksi. Ia menawarkan prestasi haba dan hayat perkhidmatan yang lebih baik daripada plat gerudi asas.

3.2 plat sejuk cecair tiub

Plat sejuk cecair tiub (juga dipanggil plat sejuk yang disejukkan dengan air atau plat sejuk bertiub) menggunakan tiub kuprum atau keluli tahan karat sebagai saluran penyejuk, dibenamkan ke dalam plat asas aluminium dan dipasang dengan pelekat haba atau pateri. Kelebihannya termasuk pembuatan mudah, kos rendah dan susun atur tiub fleksibel (cth., serpentin atau berbentuk U) yang boleh menandingi taburan haba IGBT. Ia sesuai untuk ketumpatan kuasa sederhana, pemacu perindustrian sensitif kos dan penyongsang solar. Diameter tiub biasa ialah 6–12 mm dan tekanan operasi biasanya di bawah 0.5 mpa.

3.3 plat sejuk cecair fsw

Plat sejuk cecair FSW (kimpalan kacau geseran) menggunakan pin kacau berputar untuk menghasilkan haba geseran, memplastikkan bahan dan menghasilkan kimpalan keadaan pepejal antara penutup dan plat asas beralur. Proses ini tidak menghasilkan keliangan, tiada retakan dan tiada logam pengisi, menghasilkan kekuatan kimpalan yang tinggi, pengedap yang sangat baik dan tiada ubah bentuk saluran aliran. Plat sejuk FSW sesuai untuk penyongsang daya tarikan kenderaan elektrik dan penukar transit kereta api di mana kebolehpercayaan jangka panjang adalah kritikal. Lebar saluran biasa ialah 4–10 mm dan rintangan tekanan boleh mencapai 1.5–2.0 mpa.

3.4 plat sejuk cecair tersemperit

Plat sejuk cecair tersemperit (atau plat sejuk aluminium, plat penyejukan aluminium) dibentuk oleh penyemperitan aluminium menggunakan acuan khusus untuk menghasilkan saluran aliran berbilang selari dalam satu langkah, kemudian dipotong, dimeterai hujung dan dimesin. Faedah utamanya ialah kecekapan pengeluaran yang tinggi dan kos unit yang rendah, dengan dimensi saluran yang konsisten, sesuai untuk pengeluaran piawai volum tinggi. Walau bagaimanapun, saluran biasanya terus, mengehadkan pengoptimuman sirip. Ini digunakan dalam penyongsang tujuan umum dan modul pengecasan EV di mana ketumpatan kuasa adalah sederhana. Diameter hidraulik biasa ialah 2–5 mm.

3.5 plat sejuk cecair yang dipateri

Plat sejuk cecair pateri (atau plat sejuk pateri) dibuat melalui pateri vakum atau atmosfera terkawal dengan plat asas saluran aliran yang dicap pada plat penutup. Ini membolehkan struktur sirip dalaman yang kompleks seperti sirip pin, sirip serong dan turbulator. Pateri menawarkan kebebasan reka bentuk yang sangat tinggi, membolehkan pemindahan haba yang dipertingkatkan dalam saiz yang padat, dengan pengedap yang baik dan tegasan baki yang rendah. Plat sejuk cecair pateri merupakan pilihan pertama untuk modul IGBT dan SIC berketumpatan kuasa tinggi, digunakan secara meluas dalam pemacu utama EV premium, penukar angin dan bekalan kuasa perindustrian mewah. Saiz ciri saluran boleh sekecil 1–3 mm; dengan sirip pin, rintangan haba jauh lebih rendah daripada jenis tersemperit atau tiub. Pateri vakum merupakan proses yang paling boleh dipercayai.

3.6 perbandingan rintangan dan struktur haba antara seni bina plat sejuk yang berbeza

Untuk membantu pemilihan kejuruteraan, jadual 1 membandingkan parameter terma dan struktur utama bagi empat plat sejuk IGBT (termasuk tiub tradisional sebagai garis dasar).

jadual 1: rintangan haba dan perbandingan struktur bagi seni bina plat sejuk cecair yang berbeza

4. pengoptimuman prestasi: reka bentuk saluran aliran dan sirip mikro

Prestasi penyejukan sistem penyejukan plat sejuk sangat bergantung pada saluran aliran dalaman dan reka bentuk sirip. Penyelidikan semasa memberi tumpuan kepada bidang-bidang berikut.

Struktur sirip: satu kajian tentang penyejukan cecair untuk tiga modul IGBT dalam pemacu motor perindustrian yang membandingkan sirip lurus, sirip pin berperingkat dan sirip serong, mengesahkan bahawa sirip kompleks meningkatkan perolakan. Tambahan pula, plat penyejukan cecair aliran berlapis mikroskala sirip serong mencapai peningkatan 3× dalam pekali pemindahan haba, pengurangan 1.4°C dalam suhu puncak cip, peningkatan 37.8% dalam keseragaman suhu dan pengurangan >15% dalam rintangan aliran berbanding plat sejuk mikrosaluran segi empat tepat di bawah kadar aliran yang sama, membolehkan penyejukan cip 800w yang andal.

Pengoptimuman topologi: Satu kajian menggunakan pengoptimuman topologi dwi-objektif (pemindahan haba maksimum, rintangan aliran minimum) untuk plat sejuk IGBT menunjukkan bahawa berbanding plat sejuk saluran lurus, plat sejuk yang dioptimumkan topologi mencapai penurunan tekanan 26.3% lebih rendah, rintangan haba 64.7% lebih rendah, dan pekali pemindahan haba 16.3% lebih tinggi.

keseragaman suhu: satu pasukan penyelidikan di Universiti Sains & Teknologi Maklumat Nanjing mencadangkan plat sejuk cecair inovatif dengan saluran serpentin, sirip yang dipertingkatkan dan turbulator berperingkat. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa peningkatan kadar aliran penyejuk mengurangkan suhu puncak peranti sebanyak kira-kira 22 k, dengan prestasi haba yang stabil pada julat aliran tertentu.

Pertimbangan antara kuasa penyejukan dan pam: dalam sistem penyejukan plat sejuk, peningkatan kadar aliran meningkatkan pemindahan haba tetapi juga meningkatkan penggunaan kuasa pam secara tidak linear. Dalam kenderaan elektrik, penurunan tekanan tambahan 10 kpa mungkin menyebabkan kos beberapa hingga puluhan watt kuasa pam, yang mesti diambil kira dalam bajet kuasa sistem.

5. evolusi seni bina: daripada penyejukan tidak langsung kepada plat sejuk cecair terbenam/bersepadu dbc

Dalam seni bina penyejukan tradisional, modul IGBT mempunyai susunan berbilang lapisan "cip – dbc – plat asas (cu atau alsic) – plat sejuk", setiap lapisan menambah rintangan haba. Seperti yang dinyatakan, rintangan haba antara muka melebihi 60% daripada jumlah keseluruhan.

Untuk mengatasi masalah ini, seni bina disruptif – plat sejuk cecair terbenam atau bersepadu dbc – telah muncul. Ideanya adalah untuk mengintegrasikan substrat dbc terus ke dalam plat sejuk, menggunakan proses suhu tinggi untuk mengikat tembaga dan seramik (al₂o₃ atau aln) ke dalam struktur monolitik. Saluran penyejuk diletakkan terus di bawah cip, hanya dipisahkan oleh dbc, memendekkan laluan pengaliran haba secara mendadak.

Tiga kelebihan utama: (1) menghapuskan plat asas dan masa luaran, sekali gus mengurangkan jumlah rintangan haba secara drastik; (2) resolusi saluran sehingga 0.3 mm, digabungkan dengan tembaga kekonduksian tinggi, mencapai prestasi isoterma yang sangat baik; (3) menyokong susun atur padat ketumpatan kuasa tinggi dan pemasangan komponen dua sisi. Parameter bahan utama untuk skema bersepadu ini ditunjukkan dalam Jadual 2.

Jadual 2: Parameter bahan utama untuk plat sejuk cecair bersepadu dbc (sumber: penyejukan elektronik, 2025)

Trend integrasi ini sejajar dengan pertumbuhan pasaran modul igbt penyejukan langsung.

6. pemilihan bahan dan teknologi penyejuk

Pemilihan bahan plat sejuk mengimbangi kekonduksian terma, kebolehmesinan dan kos. Pilihan yang paling biasa ialah aloi aluminium 6063, dengan kekonduksian terma sekitar 180–230 w/(m·k). Kuprum menawarkan ~401 w/(m·k) tetapi ketumpatan adalah tiga kali ganda daripada aluminium, dan kosnya jauh lebih tinggi, hanya digunakan dalam aplikasi mewah dengan keperluan penyejukan yang ketat.

Penyejuk merupakan pembawa kritikal pemindahan haba. Satu kajian yang diterbitkan dalam bidang kejuruteraan haba gunaan membandingkan air ternyahion, air yang ditulenkan, larutan air etilena glikol 20% dan hfe7100. Pada re = 1400, kriteria penilaian prestasi keseluruhan air ternyahion (pec) masing-masing adalah 9.3%, 24.5% dan 163.9% lebih tinggi daripada air yang ditulenkan, 20% etilena glikol dan hfe7100. re = 1400 (halaju aliran ~0.5–0.6 m/s) telah dikenal pasti sebagai julat operasi optimum untuk penurunan tekanan rendah. Dalam sistem praktikal, campuran air etilena glikol 50% digunakan secara meluas, menawarkan perlindungan pembekuan dan kekonduksian terma yang baik.

7. proses pembuatan dan ujian kebolehpercayaan

Kimpalan/pengedapan plat sejuk cecair secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan jangka panjang. Untuk empat jenis utama: tiub menggunakan pembenaman tiub + pematerian atau penekanan; fsw menggunakan kimpalan kacau geseran; ekstrusi menggunakan ekstrusi + pengedap hujung; pateri menggunakan pematerian vakum atau atmosfera. paterian vakum dan fsw adalah proses arus perdana untuk plat sejuk yang boleh dipercayai tinggi.

Kecacatan kimpalan yang biasa termasuk keliangan, penyebaran berlebihan, mikro-rekahan dalaman, ikatan yang lemah dan penyumbatan saluran aliran. Bagi plat sejuk FSW dan pateri, pengedap kimpalan dan kebersihan dalaman mesti diperiksa dengan teliti.

Kerataan merupakan satu lagi faktor utama. Menurut teori sentuhan Hertz, permukaan yang rata secara makroskopik pun mempunyai puncak dan lembah mikroskopik; luas sentuhan sebenar jauh lebih kecil daripada luas nominal. Penyimpangan kerataan aras mikron boleh menyebabkan rintangan haba antara muka meningkat secara mendadak. Kriteria penerimaan biasa untuk sistem penyejukan plat sejuk termasuk:

• Ketegangan kebocoran: ujian kebocoran helium, kebocoran ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s atau ≤ 0.05 ml/min @ 0.5–2.0 mpa

• rintangan tekanan: ujian pecah hidraulik ≥ 3× tekanan kerja (biasanya ≥ 3.0 mpa)

• kerataan: ≤ 0.05 mm setiap 100 mm (keseluruhan ≤ 0.1 mm)

• kebersihan: zarah ≤ 10 mg/m²

8. nilai plat sejuk cecair dalam medan aplikasi igbt

Kenderaan elektrik: Plat penyejukan cecair mengendalikan haba daripada penyongsang cengkaman, yang secara langsung mempengaruhi output kuasa motor. Modul sic mempunyai ketumpatan kuasa 2-3 kali ganda daripada IGBT tradisional; plat sejuk cecair tiub, FSW atau pateri yang cekap berkesan menghapuskan titik panas setempat, meningkatkan julat dan kebolehpercayaan EV.

penyongsang angin dan solar: modul IGBT berjalan di bawah beban tinggi jangka panjang; sistem penyejukan mesti mempunyai jangka hayat yang panjang dan penyelenggaraan yang rendah. plat sejuk menyediakan suhu simpang stabil yang lebih rendah dan perubahan suhu yang lebih kecil, meningkatkan kebolehpercayaan dengan ketara di bawah keadaan yang teruk.

transit rel: elektrifikasi meningkatkan permintaan penyejukan; penyejukan cecair aktif (dipacu pam) menyediakan kawalan suhu yang lebih tepat daripada perolakan semula jadi atau penyejukan udara paksa, meningkatkan kebolehpercayaan dalam persekitaran yang ekstrem.

(Plat penyejukan serupa untuk elektronik juga digunakan dalam plat penyejukan CPU untuk pemproses berprestasi tinggi, plat sejuk cecair bateri untuk pek bateri EV dan reka bentuk plat sejuk bertebat untuk pengasingan voltan tinggi.)

9. tinjauan pasaran dan trend teknologi

menurut qyresearch, pasaran substrat heatsink igbt global mencapai 720 juta pada tahun 2024 dan dijangka mencecah 1.165 bilion menjelang 2031, dengan kadar pertumbuhan sebanyak 7.7%. Dalam pertumbuhan ini, plat sejuk cecair – terutamanya jenis pateri dan fsw – merupakan pemacu utama. Kadar pertumbuhan 17.9% untuk modul IGBT yang disejukkan terus dengan cecair adalah jauh lebih tinggi daripada keseluruhan 7.7% untuk substrat IGBT, menunjukkan penembusan pesat teknologi penyejukan cecair.

Satu konsep canggih, plat sejuk cecair hentaman jet berbilang muncung (mjilcp) untuk 1000w TDP, yang dibentangkan di persidangan ieee, menunjukkan rintangan haba 14.3% lebih rendah dan kuasa pam 19.3% lebih rendah berbanding plat sejuk penyejuk saluran giling konvensional. Untuk mencapai rintangan haba 0.0236°c/w, mjilcp memerlukan kuasa pam 48% kurang.

Evolusi masa hadapan memberi tumpuan kepada tiga arah:

1. Integrasi mendalam: daripada penyejukan tidak langsung kepada integrasi dbc terbenam, seterusnya mengurangkan rintangan haba.

2. Reka bentuk pintar: reka bentuk berbantukan AI, pengoptimuman topologi dan pembuatan bahan tambahan untuk saluran aliran tersuai (plat sejuk cecair tersuai, plat sejuk tersuai).

3. Penyesuaian berbilang senario: penyelesaian tersuai untuk platform voltan tinggi 800v, altitud tinggi, dsb., mungkin termasuk plat sejuk nitrogen cecair untuk keperluan penyejukan yang melampau.

Seiring kemajuan pembuatan tempatan dan revolusi tenaga baharu yang semakin mendalam, plat sejuk cecair akan berkembang daripada komponen tambahan kepada pemboleh teras bagi ketumpatan dan kebolehpercayaan kuasa dalam IGBT dan elektronik kuasa yang lebih luas.