Plăci reci cu lichid pentru module IGBT

1. Ce este un modul IGBT?

În vehiculele electrice, generarea de energie regenerabilă, transportul feroviar și automatizarea industrială, modulele IGBT evoluează către o densitate de putere mai mare, o amprentă mai mică și temperaturi mai ridicate ale joncțiunilor. Cu toate acestea, pe măsură ce densitatea de putere a cipurilor crește, spațiul de răcire disponibil se micșorează rapid. Studiile arată că problemele termice cauzează peste 50% din defecțiunile circuitelor integrate; pentru electronica de putere, aproximativ 55% din defecțiunile IGBT sunt legate de temperatură. Răcirea tradițională cu aer are un coeficient de transfer termic convectiv limitat (aproximativ 37 w/cm² în cel mai bun caz) și un volum mare, ceea ce o face inadecvată pentru modulele de putere de generație următoare. Tehnologia plăcilor reci lichide a apărut ca o soluție de bază pentru gestionarea termică a cipurilor de mare putere.

2. Provocările termice ale IGBT-urilor și limitările răcirii tradiționale

Un modul IGBT generează o căldură semnificativă. Pentru un invertor de 100 kw cu o eficiență de 98%, aproximativ 2 kw de căldură trebuie eliminați de sistemul de management termic. În plus, distribuția căldurii nu este uniformă; punctele fierbinți locale de pe suprafața cipului pot fi mult mai fierbinți decât temperatura medie, iar aceste puncte fierbinți limitează performanța dinamică și durata de viață.

Temperatura se corelează puternic cu defecțiunile IGBT. Un studiu statistic al defecțiunilor turbinelor eoliene din 23 de țări între 2003 și 2017 a arătat că defecțiunea modulelor IGBT a reprezentat 22% din timpul de nefuncționare neplanificat al convertorului - una dintre cele mai predispuse la defecțiuni din sistemele eoliene. Accelerarea/decelerarea frecventă a vehiculelor provoacă cicluri de alimentare severe și fluctuații de temperatură, ceea ce duce la oboseala firelor de legătură, delaminarea lipirii și alte defecțiuni cauzate de oboseală termică. Embalarea termică poate provoca pierderi de putere în vehiculele electrice, un pericol grav pentru siguranță.

Din perspectiva rezistenței termice, disiparea căldurii IGBT este o problemă de rezistență termică în serie cu mai multe straturi. Rezistența termică la interfață reprezintă peste 60% din total, ceea ce o face principalul blocaj. În ceea ce privește rezistența joncțiune-carcasă, substratul ceramic DBC (cupru lipit direct) este principalul factor contribuitor (peste 75%). Răcirea tradițională cu aer suferă de trei limitări majore: coeficient scăzut de transfer termic, capacitate slabă de a elimina punctele fierbinți locale și volum mare al sistemului, ceea ce intră în conflict cu miniaturizarea sistemului.

3. cum plăci reci cu lichid lucrări și clasificarea lor

O placă rece cu lichid (numită și placă de răcire, placă de răcire cu lichid sau placă de răcire cu apă) utilizează convecția forțată a lichidului pentru a elimina căldura. Principiul de funcționare este simplu: căldura de la modulul IGBT se transferă printr-o interfață termică către baza plăcii reci, apoi este transportată de agentul de răcire care curge prin canalele interne; agentul de răcire încălzit circulă către un schimbător de căldură, se răcește și se întoarce.

Pe baza proceselor de fabricație și a formelor structurale, în inginerie sunt utilizate astăzi patru tipuri principale de plăci reci IGBT.

3.1 farfurii reci lichide tradiționale

Designurile tradiționale includ tipurile găurite, asamblate, sudate și tubulare. Acestea au o procesare mai simplă, costuri mai mici și sunt potrivite pentru modulele IGBT cu densitate de putere mică spre medie. Printre acestea, placa rece tubulară (sau placa rece lichidă tubulară) încorporează tuburi de cupru sau oțel inoxidabil în canelurile unei plăci de bază din aluminiu, fixate prin lipire sau epoxid. Oferă performanțe termice și o durată de viață mai bune decât plăcile găurite de bază.

3.2 plăci reci cu lichid tubular

Plăcile reci cu lichid tubular (numite și placă rece răcită cu apă sau placă rece tubulară) utilizează tuburi de cupru sau oțel inoxidabil ca canale de răcire, încorporate într-o placă de bază din aluminiu și fixate cu adeziv termic sau lipire. Avantajele lor includ fabricație simplă, cost redus și amplasamente flexibile ale tuburilor (de exemplu, în formă de serpentină sau U) care se pot potrivi distribuției căldurii IGBT. Sunt potrivite pentru densitate medie de putere, acționări industriale sensibile la costuri și invertoare solare. Diametrul tipic al tubului este de 6-12 mm, iar presiunea de funcționare este în mod normal sub 0,5 MPa.

3.3 plăci reci cu lichid fsw

Plăcile reci lichide FSW (sudare prin frecare-agitare) utilizează un știft de agitare rotativ pentru a genera căldură prin frecare, plastifiind materialul și creând o sudură în stare solidă între capac și placa de bază canelată. Acest proces nu produce porozitate, fisuri și metal de adaos, rezultând o rezistență ridicată a sudurii, o etanșare excelentă și nicio deformare a canalului de curgere. Plăcile reci FSW sunt ideale pentru invertoarele de tracțiune ale vehiculelor electrice și convertoarele de transport feroviar, unde fiabilitatea pe termen lung este critică. Lățimea tipică a canalului este de 4-10 mm, iar rezistența la presiune poate ajunge la 1,5-2,0 MPa.

3.4 plăci reci lichide extrudate

Plăcile reci lichide extrudate (sau placă rece din aluminiu, placă de răcire din aluminiu) sunt formate prin extrudare a aluminiului folosind o matriță dedicată pentru a produce canale de curgere multi-paralele într-o singură etapă, apoi sunt tăiate, etanșate la capetele mașinii și prelucrate. Principalele avantaje sunt eficiența ridicată a producției și costul unitar redus, cu dimensiuni constante ale canalului, ideale pentru producția standardizată de volum mare. Cu toate acestea, canalele sunt de obicei drepte, ceea ce limitează optimizarea aripioarelor. Acestea sunt utilizate în invertoare de uz general și module de încărcare pentru vehicule electrice, unde densitatea de putere este modestă. Diametrul hidraulic tipic este de 2-5 mm.

3.5 plăci reci cu lichid lipit

Plăcile reci lichide brazate (sau placa rece brazată) sunt realizate prin lipirea în vid sau cu atmosferă controlată a unei plăci de bază cu canal de curgere ștanțat pe o placă de acoperire. Acest lucru permite structuri complexe de aripioare interne, cum ar fi aripioare cu știft, aripioare oblice și turbulatori. Brazarea oferă o libertate de proiectare foarte mare, permițând un transfer de căldură îmbunătățit într-o dimensiune compactă, cu o etanșare bună și o tensiune reziduală redusă. Plăcile reci lichide brazate sunt prima alegere pentru modulele IGBT și SIC de mare densitate de putere, utilizate pe scară largă în acționările principale premium pentru vehicule electrice, convertoare eoliene și surse de alimentare industriale de înaltă calitate. Dimensiunile caracteristicilor canalului pot fi de până la 1-3 mm; cu aripioarele cu știft, rezistența termică este semnificativ mai mică decât cea a tipurilor extrudate sau tubulare. Brazarea în vid este cel mai fiabil proces.

3.6 compararea rezistenței termice și a structurii între diferite arhitecturi de plăci reci

Pentru a ajuta la selecția inginerească, tabelul 1 compară parametrii termici și structurali cheie ai celor patru plăci reci IGBT (inclusiv plăcile tradiționale tubulare ca referință).

tabelul 1: rezistență termică și comparație structurală a diferitelor arhitecturi de plăci reci lichide

4. optimizarea performanței: canal de curgere și designul micro-aripioarelor

Performanța de răcire a unui sistem de răcire cu placă rece depinde puternic de canalul de curgere intern și de designul aripioarelor. Cercetările actuale se concentrează pe următoarele domenii.

Structura aripioarelor: un studiu privind răcirea cu lichid pentru trei module IGBT într-un sistem de acționare a motorului industrial a comparat aripioare drepte, cu aripioare decalate și oblice, confirmând că aripioarele complexe sporesc convecția. În plus, o placă de răcire cu lichid cu flux stratificat la microscală, cu aripioare oblice, a obținut o creștere de 3 ori a coeficientului de transfer termic, o reducere cu 1,4°C a temperaturii de vârf a cipului, o îmbunătățire cu 37,8% a uniformității temperaturii și o reducere cu >15% a rezistenței la curgere în comparație cu o placă rece dreptunghiulară cu microcanal la același debit, permițând răcirea fiabilă a unui cip de 800 W.

Optimizarea topologiei: un studiu care a utilizat optimizarea topologică bi-obiectiv (transfer maxim de căldură, rezistență minimă la curgere) pentru o placă rece IGBT a arătat că, în comparație cu o placă rece cu canal drept, placa rece optimizată pentru topologie a obținut o cădere de presiune cu 26,3% mai mică, o rezistență termică cu 64,7% mai mică și un coeficient de transfer de căldură cu 16,3% mai mare.

Uniformitatea temperaturii: o echipă de cercetare de la Universitatea de Știința și Tehnologia Informației din Nanjing a propus o placă rece lichidă inovatoare cu canale serpentine, aripioare îmbunătățite și turbulatori eșalonați. Rezultatele experimentale au arătat că creșterea debitului de agent de răcire a redus temperatura maximă a dispozitivului cu aproximativ 22 K, cu performanțe termice stabile pe un anumit interval de debit.

Compromisul dintre puterea de răcire și cea de pompare: într-un sistem de răcire cu placă rece, creșterea debitului îmbunătățește transferul de căldură, dar crește și consumul de energie al pompei în mod neliniar. În vehiculele electrice, o scădere de presiune suplimentară de 10 kpa poate costa de la câțiva la zeci de wați din puterea pompei, ceea ce trebuie luat în considerare în bugetul de putere al sistemului.

5. Evoluția arhitecturii: de la răcirea indirectă la placa rece lichidă încorporată / integrată DBC

În arhitecturile tradiționale de răcire, modulul IGBT are o stivă multistrat de tipul „cip – DBC – placă de bază (Cu sau Alsic) – placă rece”, fiecare strat adăugând rezistență termică. După cum s-a menționat, rezistența termică a interfeței depășește 60% din total.

Pentru a depăși acest lucru, a apărut o arhitectură disruptivă – o placă rece lichidă încorporată sau integrată cu DBC. Ideea este de a integra substratul DBC direct în placa rece, utilizând procese la temperatură înaltă pentru a lega cuprul și ceramica (Al₂O₃ sau ALN) într-o structură monolitică. Canalele de răcire sunt plasate direct sub cip, separate doar de DBC, scurtând dramatic calea de conducere a căldurii.

Trei avantaje majore: (1) elimină placa de bază și temporizatorul extern, reducând drastic rezistența termică totală; (2) rezoluția canalului de până la 0,3 mm, combinată cu cuprul de înaltă conductivitate, obține performanțe izoterme excelente; (3) permite configurații compacte cu densitate mare de putere și montarea componentelor pe ambele fețe. Parametrii cheie ai materialelor pentru această schemă integrată sunt prezentați în tabelul 2.

Tabelul 2: Parametrii cheie ai materialelor pentru placa rece lichidă integrată DBC (sursa: Electronics Cooling, 2025)

Această tendință de integrare se aliniază cu creșterea pieței modulelor IGBT cu răcire directă.

6. selecția materialelor și tehnologia agentului de răcire

Alegerea materialului pentru placa rece echilibrează conductivitatea termică, prelucrabilitatea și costul. Cea mai comună alegere este aliajul de aluminiu 6063, cu o conductivitate termică de aproximativ 180–230 w/(m·k). Cuprul oferă ~401 w/(m·k), dar densitatea este de trei ori mai mare decât cea a aluminiului, iar costul este mult mai mare, fiind utilizat doar în aplicații de înaltă calitate cu cerințe stricte de răcire.

Agentul de răcire este un purtător critic al transferului de căldură. Un studiu publicat în Applied Thermal Engineering a comparat apa deionizată, apa purificată, soluția de etilen glicol 20% și apă și HFE7100. La re = 1400, criteriul general de evaluare a performanței (PEC) al apei deionizate a fost cu 9,3%, 24,5% și 163,9% mai mare decât apa purificată, 20% etilen glicol și HFE7100, respectiv. re = 1400 (viteză de curgere ~0,5–0,6 m/s) a fost identificat ca intervalul optim de funcționare pentru o cădere de presiune redusă. În sistemele practice, amestecul de 50% etilen glicol și apă este utilizat pe scară largă, oferind protecție împotriva înghețului și o bună conductivitate termică.

7. procese de fabricație și testarea fiabilității

Sudarea/etanșarea unei plăci reci lichide afectează direct fiabilitatea pe termen lung. Pentru cele patru tipuri principale: tubulare utilizează încorporarea tuburilor + lipire sau presare; FSW utilizează sudarea prin frecare-agitare; extrudare utilizează extrudare + etanșare la capete; brazare utilizează lipire în vid sau în atmosferă. Brazarea în vid și FSW sunt procesele principale pentru plăcile reci de înaltă fiabilitate.

Defectele comune de sudare includ porozitatea, dispersia excesivă, microfisurile interne, lipirea deficitară și blocarea canalului de curgere. Pentru plăcile reci lipite prin sudură (FSW) și cele lipite prin lipire, etanșarea sudurii și curățenia internă trebuie inspectate cu atenție.

Planeitatea este un alt factor cheie. Conform teoriei contactului hertzian, chiar și suprafețele macroscopic plane au vârfuri și văi microscopice; aria de contact reală este mult mai mică decât aria nominală. Abaterile de planitate la nivel de microni pot determina o creștere dramatică a rezistenței termice la interfață. Criteriile tipice de acceptare pentru sistemele de răcire cu placă rece includ:

• etanșeitate: test de etanșeitate la heliu, etanșeitate ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s sau ≤ 0,05 ml/min la 0,5–2,0 mpa

• rezistență la presiune: test hidraulic de spargere ≥ 3× presiunea de lucru (în mod normal ≥ 3,0 mpa)

• planeitate: ≤ 0,05 mm la 100 mm (total ≤ 0,1 mm)

• curățenie: particule ≤ 10 mg/m²

8. Valoarea plăcilor reci lichide în domeniile de aplicare IGBT

Vehicule electrice: placa de răcire cu lichid gestionează căldura de la invertorul de tracțiune, afectând direct puterea motorului. Modulele SIC au o densitate de putere de 2-3 ori mai mare decât IGBT-urile tradiționale; plăcile de răcire cu lichid eficiente, tubulare, FSW sau brazate, elimină eficient punctele fierbinți locale, îmbunătățind autonomia și fiabilitatea vehiculelor electrice.

Invertoare eoliene și solare: modulele IGBT funcționează sub sarcină mare pe termen lung; sistemul de răcire trebuie să aibă o durată lungă de viață și o întreținere redusă. Plăcile reci oferă temperaturi stabile ale joncțiunilor mai scăzute și fluctuații de temperatură mai mici, îmbunătățind semnificativ fiabilitatea în condiții dure.

transportul feroviar: electrificarea crește cererea de răcire; răcirea activă cu lichid (cu pompă) oferă un control al temperaturii mai precis decât convecția naturală sau răcirea cu aer forțat, sporind fiabilitatea în medii extreme.

(plăci de răcire similare pentru electronice sunt utilizate și în plăcile de răcire a procesoarelor pentru procesoare de înaltă performanță, plăcile de răcire cu lichid pentru baterii pentru pachetele de baterii pentru vehicule electrice și în modelele de plăci de răcire izolate pentru izolarea de înaltă tensiune.)

9. perspectivele pieței și tendințele tehnologice

Conform Qyresearch, piața globală a substraturilor pentru radiatoare IGBT a atins 720 de milioane în 2024 și se așteaptă să ajungă la 1,165 miliarde până în 2031, cu o creștere anuală compusă (CAGR) de 7,7%. În cadrul acestei creșteri, plăcile reci cu lichid – în special cele brazate și cele cu compresor tip FSW – sunt factorii cheie. Creșterea anuală compusă de 17,9% pentru modulele IGBT răcite direct cu lichid este semnificativ mai mare decât creșterea generală de 7,7% pentru substraturile IGBT, indicând o penetrare rapidă a tehnologiei de răcire cu lichid.

Un concept avansat, placa rece cu lichid prin impact cu jet multi-duză (MJILCP) pentru 1000 W TDP, prezentat la o conferință IEEE, a demonstrat o rezistență termică cu 14,3% mai mică și o putere de pompare cu 19,3% mai mică în comparație cu o placă rece de răcire convențională cu canale frezate. Pentru a obține o rezistență termică de 0,0236 °C/W, MJILCP a necesitat o putere de pompare cu 48% mai mică.

Evoluția viitoare se concentrează pe trei direcții:

1. Integrare profundă: de la răcire indirectă la integrarea DBC încorporată, reducând și mai mult rezistența termică.

2. Design inteligent: design asistat de inteligență artificială, optimizare topologică și fabricație aditivă pentru canale de curgere personalizate (placă rece de lichid personalizată, plăci reci personalizate).

3. Adaptare la scenarii multiple: soluții personalizate pentru platforme de înaltă tensiune de 800 V, altitudine mare etc., incluzând eventual o placă rece cu azot lichid pentru nevoi extreme de răcire.

Pe măsură ce producția locală avansează și noua revoluție energetică se adâncește, plăcile reci cu lichid vor evolua de la componente auxiliare la factori esențiali pentru densitatea de putere și fiabilitatea în IGBT-uri și electronică de putere mai largă.