Resumen: Este artículo presenta un diseño de placa de refrigeración líquida para transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). La placa de refrigeración líquida es una solución eficiente de gestión térmica que mejora la disipación de calor de los IGBT mediante la circulación directa del refrigerante a través de los chips. Este diseño reduce eficazmente la temperatura y mejora la fiabilidad y el rendimiento del sistema.
Introducción:
Los IGBT son dispositivos semiconductores de potencia ampliamente utilizados en los sistemas electrónicos de potencia modernos. En aplicaciones de alta potencia, los chips IGBT generan un calor considerable que, si no se disipa eficazmente, puede afectar negativamente el rendimiento y la vida útil del dispositivo. Los métodos tradicionales de refrigeración por aire presentan limitaciones en aplicaciones de alta densidad de potencia, lo que convierte a la tecnología de refrigeración líquida en una solución importante para la gestión térmica de los IGBT.
Descripción general de la tecnología de enfriamiento por placa fría líquida:
La tecnología de refrigeración líquida utiliza un medio de transferencia de calor, normalmente agua u otros fluidos, para entrar en contacto directo con la fuente de calor y enfriarla. Al hacer circular el refrigerante, disipa el calor de manera eficiente, lo que ofrece una gestión térmica y un control de temperatura superiores en comparación con los métodos de refrigeración por aire tradicionales.
Principios del diseño de placas frías líquidas IGBT:
La clave para el diseño de placas de refrigeración líquidas IGBT radica en establecer una ruta de conducción térmica eficiente entre el refrigerante y los chips IGBT. Se deben tener en cuenta varios aspectos en el proceso de diseño:
a. Sistema de circulación de refrigerante: El diseño de un sistema de circulación de refrigerante que funcione correctamente, incluyendo bombas, tuberías de refrigerante y dispositivos de control de flujo, garantiza un flujo de refrigerante estable y suficiente.
b. Materiales de interfaz térmica: Seleccionar materiales de interfaz térmica adecuados con alta conductividad térmica, como gel de silicona o pasta térmica, minimiza la resistencia térmica entre el refrigerante y los chips IGBT.
c. Diseño de la placa fría: La placa fría refrigerada por líquido debe poseer una excelente conductividad térmica e integridad estructural. Por lo general, se utilizan materiales metálicos como el cobre o el aluminio para transferir el calor al refrigerante de manera eficiente.
d. Diseño del canal de flujo: La placa fría requiere una estructura de canal de flujo bien diseñada para asegurar una cobertura uniforme del refrigerante sobre los chips IGBT e inducir suficiente turbulencia para mejorar la eficiencia de disipación de calor.
Proceso de diseño de placa fría líquida IGBT:
a. Determinación de los requisitos de disipación de calor: En función de las exigencias de la aplicación práctica, identifique los requisitos de disipación de calor para el IGBT, incluyendo la temperatura máxima y la disipación de potencia.
b. Selección del refrigerante: Elija un refrigerante adecuado teniendo en cuenta los requisitos de disipación de calor y las características del sistema, considerando factores como la fluidez, la corrosividad y la fiabilidad.
c. Tamaño y selección del material de la placa fría: Determine las dimensiones y el material de la placa fría refrigerada por líquido en función de los requisitos de disipación de calor y las limitaciones de espacio, considerando factores como la conductividad térmica del material y el costo.
d. Diseño y optimización del canal de flujo: Diseñar una estructura de canal de flujo optimizada en función de las dimensiones de la placa fría y los requisitos de disipación de calor. Utilizar simulación numérica y validación experimental para perfeccionar el diseño del canal de flujo y lograr un rendimiento óptimo de disipación de calor.
e. Integración y pruebas del sistema: Integrar la placa fría refrigerada por líquido diseñada con los chips IGBT y realizar pruebas a nivel de sistema para validar el rendimiento y la fiabilidad de la disipación de calor.
Validación experimental y evaluación del desempeño:
Después del proceso de diseño, es necesario realizar una validación experimental y una evaluación del rendimiento. Se miden parámetros como la distribución de la temperatura en la placa fría, el caudal de refrigerante y la temperatura para evaluar la eficacia de la disipación de calor y compararla con el rendimiento esperado.
Conclusión:
El diseño de placa de enfriamiento líquido IGBT es una solución de gestión térmica eficiente que reduce eficazmente las temperaturas de los IGBT, mejora la confiabilidad del sistema y mejora el rendimiento. Al seleccionar el refrigerante adecuado, optimizar el diseño del canal de flujo y realizar una validación experimental y una evaluación del rendimiento, se pueden lograr los objetivos de diseño y cumplir con los requisitos de varias aplicaciones. En el futuro, con más avances tecnológicos, el diseño de placa de enfriamiento líquido IGBT encontrará aplicaciones más amplias en dispositivos electrónicos de potencia.
La siguiente es la placa de enfriamiento líquido del módulo IGBT de 3000 W que diseñamos para los clientes.
Hay un total de 6 módulos, cada uno con una potencia de 500 W. La lámina de aletas local de alta densidad se utiliza para absorber una gran cantidad de calor y, al mismo tiempo, el intercambio de calor en el canal de agua puede absorber el calor de manera efectiva. Calculamos mediante un software de simulación térmica y obtuvimos la curva de la función de convergencia y el mapa de distribución de la temperatura del producto:
