En electrónica de potencia, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es uno de los semiconductores más utilizados. Los IGBT modernos están fabricados con carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) para lograr una mejor producción y eficiencia térmica.
Si bien los IGBT son útiles para el suministro de energía y la conversión, también pueden generar mucho calor cuando se conmutan a frecuencias altas.
La refrigeración de los dispositivos IGBT es una preocupación importante para los ingenieros de energía eléctrica.
Desarrollo de los IGBT
El IGBT es un interruptor más potente que funciona controlando el voltaje que llega a una parte semiconductora para generar un circuito eléctrico. Se introdujo por primera vez en la década de 1980 y se mejoró con la invención del transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET).
El IGBT es inusual porque elimina la función del tiristor, lo que da como resultado un dispositivo más eficiente. Los inversores, los controladores de motores y los sistemas de energía para turbinas solares y eólicas avanzadas se fabrican con IGBT.
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La producción, conversión, transmisión y distribución de energía eléctrica requieren el uso de equipos de electrónica de potencia. Se están implementando tecnologías energéticas para aumentar la eficiencia, la confiabilidad y el control energéticos. Algunos expertos creen que toda la energía eléctrica pasará por un dispositivo semiconductor de potencia en algún momento del futuro.
Los IGBT son dispositivos de alto voltaje y alta potencia que se están volviendo cada vez más populares. Un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un interruptor de estado sólido que permite que la electricidad fluya cuando se enciende y se apaga.
Un IGBT funciona entregando un voltaje a un componente semiconductor, cambiando sus propiedades y permitiéndole bloquear o producir una ruta eléctrica.
Para aplicaciones de frecuencia moderada (5-50 kHz) y alto voltaje (200-2,000 V), un IGBT combina una entrada de compuerta aislada con una salida bipolar para producir un interruptor de potencia confiable.
Los módulos IGBT de gran tamaño suelen incluir varios dispositivos conectados en paralelo y pueden manejar cientos de amperios de corriente con voltajes de bloqueo de hasta 6,500 V. Estos IGBT pueden controlar cientos de kilovatios de potencia.
Los IGBT se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de alta potencia, incluidos vehículos eléctricos e híbridos, cargadores de baterías, autobuses eléctricos, controladores de motores de electrodomésticos, interruptores y fuentes de alimentación, convertidores de control de voltaje, controles de controladores de motores, inversores de energía solar y eólica, gestión térmica y dispositivos de diagnóstico médico.
Soluciones de refrigeración IGBT
El control térmico de los IGBT puede verse facilitado por una variedad de soluciones de refrigeración. Cada opción ofrece sus propios beneficios.
refrigeración por aire
Para sistemas de bajo consumo, los disipadores de calor refrigerados por aire también pueden ser una opción rápida y rentable. Para absorber el calor y los picos, algunos diseños industriales emplean un disipador de calor con una gran masa y capacidad térmica.
Los disipadores de calor enfriados por aire tienen más dificultades para manejar temperaturas mayores y picos térmicos en equipos electrónicos de alta potencia debido a la capacidad del aire para transportar calor y las altas temperaturas de funcionamiento acústicas normales; como resultado, el enfriamiento por aire solo es económico para equipos de baja y media potencia.
Directo Refrigeración líquida
En los IGBT, el enfriamiento líquido directo mejora las características de transferencia de calor y reduce la resistencia térmica, disminuyendo las temperaturas de unión y mejorando las capacidades de energía.
La refrigeración líquida también permite a los diseñadores producir mayor potencia por volumen, lo que mejora el rendimiento y la eficiencia. La refrigeración líquida directa se ha logrado anteriormente mediante la estampación de placas frías de tubos de cobre de gran tamaño sobre bloques de aluminio utilizando epoxi termoconductor.
Otros diseños incorporan tuberías de cobre que han sido mecanizadas para aumentar la eficiencia. Se implanta un disipador de calor con aletas en un sustrato DBC, que posteriormente se fija a un depósito de fluido, lo que permite que el refrigerante circule por las aletas para lograr un efecto de enfriamiento.
Refrigeración líquida por microcanales
Un innovador concepto de refrigeración líquida por microcanal logra la menor resistencia térmica posible para dispositivos de alta potencia.
En comparación con los sistemas de refrigeración líquida anteriores, la refrigeración líquida de microcanales integrada puede reducir la resistencia térmica de un IGBT entre 10 y 100 veces al reducir la masa térmica del refrigerante en minicanales de flujo.
Esto mejora considerablemente las tasas de transferencia térmica y las temperaturas de funcionamiento de los diseños de sistemas IGBT. Al mejorar la física térmica de los microcanales, las placas frías de microcanales de Kenfatech aumentan el rendimiento.
Nuestros diseños de rejilla de microcanales se pueden ajustar para que coincidan con las características de los módulos IGBT y pueden proporcionar a la electrónica de potencia un control térmico constante y sin igual.
Aplicación de IGBT en electrónica de potencia
Los IGBT han ganado popularidad en aplicaciones de electrónica de potencia durante las últimas décadas. Los IGBT proporcionan energía a una variedad de dispositivos y sistemas.
inversores
Debido a su excelente control de compuerta y su capacidad para transportar corrientes más significativas, los IGBT son perfectos para inversores. Las opciones de refrigeración avanzadas de los módulos IGBT permiten una transición más exitosa de la alimentación de CC a CA.
Convertidores
Los convertidores de tensión se alimentan mediante transistores bipolares acoplados inductivamente (IGBT). En el diseño de fuentes de alimentación, los convertidores desempeñan un papel crucial.
Fuentes de alimentación
Los IGBT se pueden utilizar con dos fuentes de alimentación diferentes:
● Fuente de alimentación conmutada (SMPS)
● Sistema de alimentación ininterrumpida (UPS)
Fuente de alimentación conmutada
Los IGBT pueden ayudar con aplicaciones de alta corriente, mientras que un convertidor de conmutación se utiliza para convertir la salida de voltaje en una SMPS.
Suministro de energía ininterrumpida
Un IGBT puede ayudar a un UPS a suministrar energía constante y uniforme cuando falla un sistema eléctrico.
Aplicaciones de energía renovable
Las soluciones de energía renovable se están integrando en los planes estratégicos de un número cada vez mayor de organizaciones comerciales, industriales y municipales. El uso de la tecnología de microcanales para optimizar la refrigeración líquida mediante IGBT puede ayudar a los clientes a crear energía más sostenible a un coste reducido.
Inversores solares
Los inversores solares toman la electricidad de corriente continua generada por los paneles solares y la convierten en energía de corriente alterna que los consumidores pueden utilizar. El IGBT es un componente crucial para permitir que las personas accedan a una energía más inteligente y limpia, y debe estar controlado térmicamente para funcionar correctamente.
Receptores fotovoltaicos concentrados (CPV)
En la energía fotovoltaica de concentración (CPV) se utilizan cientos de reflectores de espejo para dirigir la energía solar a un receptor central. La potencia resultante genera un flujo de calor cerca de la superficie del sol.
Para garantizar un funcionamiento constante, el receptor CPV, un componente vital del sistema, debe enfriarse utilizando métodos altamente eficientes como el enfriamiento líquido por microcanales.
Bombas de calor asistidas por energía solar
Para ahorrar dinero en calefacción, una bomba de calor asistida por energía solar combina una bomba de calor normal con una entrada fotovoltaica.
Las placas frías de microcanales para módulos de potencia IGBT pueden aumentar la eficiencia energética y al mismo tiempo reducir el costo total de propiedad del sistema.
Conclusión
Los IGBT generan mucho calor y pueden resultar perjudiciales si se utilizan en exceso. Debido a las enormes proporciones necesarias para controlar los enormes volúmenes de calor, el uso de soluciones de refrigeración por aire, como disipadores de calor, para disipar alta potencia de los IGBT puede resultar impracticable.
La refrigeración líquida tiene coeficientes de transferencia de calor mucho mayores que la refrigeración por convección, lo que permite densidades de potencia sustancialmente mayores y soluciones de módulos e inversores más compactos. Si bien la refrigeración líquida a veces encuentra resistencia en el sector de la electrónica de potencia, es necesaria para cumplir con muchos de los requisitos actuales de gestión térmica de los IGBT.
La refrigeración líquida para motores de combustión interna se ha utilizado en la industria automotriz durante más de un siglo y, actualmente, la idea de utilizar refrigeración líquida para la electrónica de potencia en una aplicación automotriz no se considera un problema. Los métodos de refrigeración líquida para IGBT incluyen placas frías, tubos de calor, turbuladores y circuitos de refrigeración por vapor.
Kenfatech crea soluciones únicas de refrigeración líquida por microcanales para IGBT que le ayudarán a aumentar el rendimiento, la eficiencia, la seguridad y la fiabilidad de su sistema de electrónica de potencia.