IGBTとは何ですか?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transformer) は、パワー エレクトロニクス デバイスの「CPU」として一般に知られている、エネルギーの変換と伝送の中核となるデバイスです。 鉄道輸送、スマートグリッド、航空宇宙、電気自動車、新エネルギー機器などの分野で広く使用されています。
IGBT モジュールは、IGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ チップ) と FWD (フライバック ダイオード チップ) が特定のアセンブリを通じてパッケージ化されたモジュール型半導体製品です。 IGBT モジュールは内部に複数の IGBT チップをカプセル化することができ、高電流処理能力を実現して、IGBT チップの歩留まりを低下させながらアクティブ領域を増加させる問題を回避します。 シングル チップ モジュールと比較して、複数の内部 IGBT チップを備えたパッケージング モジュールは、より信頼性の高い構造と、熱管理に対するより高い要件を備えています。 IGBT モジュールは発熱が大きく、温度の影響を大きく受けるパワーデバイスであるため、実動作ではノード温度を適切な範囲内に制御して正常に動作させる必要があります。 動作温度が高すぎると、半導体の物理定数やデバイスの内部パラメータが変化し、igbt モジュールが適切に動作できなくなり、深刻な場合には寿命に影響を与えることもあります。
IGBT冷却技術
現在、市場で広く使用されているIGBTの冷却方式には、空冷技術、ヒートパイプ冷却技術、水冷技術などがあります。
空冷技術
空冷技術は、空気の対流伝熱ゾーンを使用して熱を放散します。 パッシブな自然対流空冷とアクティブな強制対流空冷に分けられます。 自然対流空冷は主に、異なる位置の空気の温度差によって引き起こされる密度コントラストによって発生し、周囲の空気流路を駆動して熱を奪う原動力として浮力を生成します。 この冷却モードのラジエーターは構造がシンプルでメンテナンスが容易ですが、熱交換能力が低く、冷却能力が低く発熱量が少ない時期にしか使用できません。 IGBTパワーデバイスの統合と高出力化に伴い、冷却需要は日々増大しており、自然空冷のみを冷却に使用するだけでは十分ではありません。
熱放散のニーズを満たすために、IGBT デバイスにファンが取り付けられ、強制空気対流が促進されます。 強制対流空冷は自然対流空冷に比べて熱抵抗を1/5～1/5に低減でき、放熱能力が大幅に向上します。 しかし、ファンやその他のデバイスの追加により、エアダクトの設計、定期的なメンテナンスの実行が必要となり、システムの信頼性が低下し、デバイスの集積度が低下し、動作時の騒音が大きくなります。
空冷技術の冷却効率を提供するために、通常、熱交換面積を増やすために IGBT モジュールにヒートシンクが取り付けられます。これは一般にフィン付きヒートシンクとして知られています。 AWIND による広範な研究と最適化を経て、空冷ラジエーター、特に平行アルミニウムフィンラジエーターはシンプルな設計と成熟した製造プロセスを備えており、現在の IGBT 冷却で最も一般的に使用される熱放散デバイスとなっています。 しかし、空気比容量が小さく、熱伝導率が低いなどの問題により、強制対流空冷でも放熱能力が限られており、現在の高熱束密度とIGBT集積モジュールの高速瞬間加熱の放熱ニーズを効果的に満たすことができません。
ヒートパイプ冷却技術
ヒートパイプは主に密閉シェル、液体吸引コア、蒸気チャネルで構成されています。 パイプ内には一定量の液体が充填されています。 ヒートパイプの一端は蒸発セクション、もう一端は凝縮セクションです。 作業工程中、蒸発部は熱源から発生する熱を吸収し、周囲の吸液コア内の液体を蒸発させます。 次に、熱は蒸気とともにヒートパイプの蒸発部から凝縮部に移動し、蒸気は凝縮部で凝縮して液体となり、熱を外界に伝達します。 凝縮した液体は吸引コアの管壁上の毛細管現象により蒸発部に戻り、上記のサイクルを繰り返し、一方の端から他方の端へ熱を伝達し続けて放熱します。
強制対流空冷技術と比較して、ヒートパイプの導入によりヒートシンクの性能が大幅に向上します。 また、ヒートパイプヒートシンクの信頼性が高く、冷媒漏洩のリスクが低いです。 したがって、現在のigbt熱管理市場には一定の応用基盤もあります。 しかし、ほとんどのヒートパイプ ヒートシンクは、空冷ラジエーターと同様に、より高い熱放散効率を達成するために外部ファンを必要とします。 したがって、ヒートパイプヒートシンクの動作効率はファンの形状、風速、環境温度などの要因にも影響され、定期的なメンテナンスが必要であり、動作中に騒音が発生する可能性があります。 さらに、ヒートパイプ構造を追加すると、ヒートシンク全体のサイズが大きくなり、IGBT モジュールの小型化と集積化の向上にはつながりません。
水冷技術
水は熱伝導率が良く、比熱容量が大きく、汚染がほとんどありません。 空冷と比較して、水冷は放熱効率が高く、サイズが小さく、冷却システムのレイアウトが容易であり、高出力igbtモジュール冷却システムに適しています。 したがって、水冷技術は急速に広く使用され、高出力igbtモジュール冷却システムの主流の冷却モードになりました。 IGBT モジュールと水冷プレートの 2 つの独立したコンポーネントを組み合わせて別個のヒートシンクを形成し、コールド プレート内の水の循環流を利用して IGBT モジュールから熱を除去します。
液冷プレートの温度均一性も考慮する必要があります。 特に IGBT チップの場合、IGBT チップのジャンクション温度が低下すると電力変換効率が向上します。 温度均一性が低いと、異なる位置の IGBT チップ間のジャンクション温度が異なり、その結果、各 IGBT チップの電力出力が異なり、モジュールの動作と信頼性に非常に悪影響を及ぼします。 Awind は、温度バランスを確保するための液体冷却プレートの設計において長年の経験を持っています。 IGBT デバイスの正常な動作を保証します。
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