IGBT モジュールは高出力デバイスであり、動作中に大量の熱を発生します。IGBT モジュールの正常動作温度範囲は -40 度 C-150 度 C です。電子部品の故障は主に高温によって引き起こされ、故障率はチップの温度に正比例します。温度が 10 度上昇するごとに、電子デバイスの信頼性は半分に低下します。したがって、IGBT チップの正常な動作を維持するために、熱を放散させるヒートシンクが必要です。
現在、市場で使用されている IGBT の放熱方式のほとんどは、空冷と液冷です。
この記事では、IGBT で使用される一般的なラジエーターである銅とアルミニウムのヒートシンクについて主に説明します。大型のアルミニウム ヒートシンクは、フィンを削る技術で作られ、底板に CNC スロットが付けられ、溝にエポキシとコーティングされたヒートパイプが充填され、その後、表面処理が施されて滑らかで平らな表面が得られます。
基板の表面が滑らかで平らであれば、熱源との接触が良くなり、より効率的な熱伝達が保証されます。ヒートパイプの存在により、ヒートシンクの両端で熱を均等に分散できます。フィンが高くて密集しているため、放熱表面積が増加し、熱と空気の接触面積が大きくなります。
図1 フィンの高さとヒートシンク温度の関係
フィンの高さが高くなると、それに応じて温度が下がります。これは、ヒートシンクから空気への熱伝達も増加し、ヒートシンクの温度が下がるためです。
しかし、フィンの高さが増していくと、フィン下部での熱伝達が完全に完了するため温度低下は徐々に遅くなり、フィンの高さをさらに増やしても対流熱伝達は向上しません。
図2: フィンの厚さとヒートシンク温度の関係
フィンの厚さが厚くなると温度が下がり、厚さが4mmのときに放熱効果が最も高くなります。
フィンは熱伝導体なので、フィンの厚さは対流熱伝達効率に影響を及ぼします。フィンの厚さが厚くなると対流熱伝達効果は高まりますが、顕著ではありません。4.5mmまで厚くなると、温度はほとんど変わりません。
フィンの厚さは高さよりもはるかに小さいため、フィンの厚さが 4.5mm を超えても放熱性能への影響は最小限であると考えられます。
図3. フィン間隔とヒートシンク温度の関係
フィン間隔の変化法則は2つの部分に分かれています。フィン間隔が広がると、温度は最初は下がり、その後安定し、最適な放熱が実現します。フィン間隔が広がると、フィン間のパイプ抵抗が減り、放熱効果が高まります。
ただし、フィンの間隔が広がり続けると、パイプラインの抵抗はほとんど変化しないため、ヒートシンクの温度も安定する傾向があります。
上記の 3 つのデータ セットは、IGBT ヒートシンクは、フィンが高く厚いほど、またはフィンの間隔が密集しているほど必ずしも優れているわけではないことを示しています。最適なヒートシンクは、放熱要件とヒートシンクのコストと組み合わせて分析する必要があります。また、Awind は放熱に関して 20 年以上の経験があり、この分野で専門的なアドバイスを提供して、放熱効果とコストの両方で Win-Win の状況を実現できます。
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