ماژول های خنک کننده دو طرفه غیر مستقیم دارای یک لبه نسبت به ماژول های خنک کننده مستقیم یک طرفه هستند

یکی از چالش های بزرگ طراحان هنگام استفاده از ماژول های قدرت در PCU ، کشف نحوه خنک سازی ماژول های قدرت است. یکی از متداول ترین روشها برای خنک سازی ماژول برق شامل خنک سازی مستقیم یک ماژول ۶-pak با ساختار پین باله یکپارچه است. با این حال ، ماژول های جدید برق با پیکربندی نیمه پل ، خنک کننده غیرمستقیم را در دو طرف ماژول ارائه می دهند . با خنک سازی مستقیم ، محیط خنک کننده (به عنوان مثال ۵۰/۵۰ مخلوط آب / گلیکول) در تماس مستقیم با ماژول برق است. با خنک سازی غیر مستقیم ، ماژول به یک هیت سینک مهر و موم شده متصل می شود که به طور فعال با یک مایع خنک می شود. مایع در تماس مستقیم با ماژول نیست. اما با خنک سازی غیر مستقیم لازم است از یک ماده رابط حرارتی (TIM) بین هیت سینک و ماژول استفاده شود. TIM به اندازه فلز رسانای گرمایی نیست و بنابراین یک “نقطه چوک” در مسیر جریان حرارت از دستگاه نیمه هادی به محیط خنک کننده مایع ایجاد می کند. اگر ماژول مستقیماً خنک شود ، به TIM نیازی نیست. به راحتی می توان فهمید که اگر همه چیز مساوی باشد ، خنک کننده مستقیم روش بهتری برای خنک کردن ماژول است تا خنک کننده غیر مستقیم.

اگرچه یک ماژول خنک کننده دو طرفه ارائه می دهد ، مساحت آن تقریباً دو برابر است که با کولر در تماس است. این باعث ایجاد دو مسیر حرارتی از دستگاه نیمه هادی به مایع خنک کننده می شود. این به طور طبیعی این سوال را ایجاد می کند که کدام رویکرد بهتر است؟ آیا بهتر است خنک کننده دو طرفه غیر مستقیم باشد یا خنک کننده مستقیم یک طرفه برای دستگاه نیمه هادی یک اندازه؟

ساختار اصلی و نمودار شماتیک یک ماژول دو طرفه خنک شده در شکل سوم نشان داده شده است. ماژول DSC (خنک کننده دو طرفه) دارای یک دیود حسگر دما و IGBT حسگر فعلی روی تراشه اصلی IGBT است. هدف از این دیود سنجش دما و نظارت بر دمای محل اتصال IGBT است و از حس جریان IGBT برای اندازه گیری جریان تراشه در هنگام سوئیچینگ استفاده می شود.

با استفاده از روش رابط دوگانه حرارتی (TDIM) ، می توان مقاومت حرارتی هر لایه در پشته گرمایی را از تجزیه و تحلیل عملکرد ساختار استخراج کرد. این تنها روش عملی و آسان برای اندازه گیری به دلیل ساختار ماژول DSC است.

بستر سرامیکی ایزوله مس مستقیم (DBC) ماژول DSC از Al2O3 ساخته شده است. اسپیسر بزرگ فلزی پشتیبانی مکانیکی و اتلاف حرارت بهتر از IGBT و دیود را فراهم می کند. ماژول جدید VE-TracTM DSC از شرکت ON Semiconductor دارای ولتاژ مسدود کننده ۷۵۰ ولت و جریان جمع کننده مداوم ۸۰۰ آمپر می باشد. حداکثر دمای اتصال پیوسته ماژول ۱۷۵ درجه سانتیگراد است. این امر به این دلیل امکان پذیر است که ماژول طرح سنتی پر از ژل سیلیکون نیست. اما از ترکیب قالب اپوکسی سخت استفاده می کند و هیچ پیوند سیم ندارد. هیت سینک خنک کننده دو طرفه برای ماژول DSC در شکل چهارم نشان داده شده است.

این هیت سینک دو طرفه با ساختار Pin Fin در بالا و سمت پایین ساخته شده است. این عملکرد حرارتی ماژول DSC را بسیار بهبود می بخشد. به منظور کاهش افت فشار در سیستم، ساختار باله پین ​​بین ماژول ها برداشته می شود.

ماژول DSC دارای پیکربندی نیم پل است؛ متشکل از IGBT و یک دیود بازیابی سریع ضد موازی (FRD) به ترتیب با مساحت ۲۳۱ میلی متر مربع و ۱۱۶ میلی متر مربع می باشد. برای این تحقیق چندین ماژول DSC از بخشهای مختلف انتخاب می شود.

ماژول DSC بر روی هیت سینک خنک شونده مایع با ماده رابط حرارتی (TIM) در دو طرف ماژول نصب شده است. برای اطمینان از تماس گرمایی خوب بین ماژول و هیت سینک، یک گشتاور بستن ۱ NM بر روی پیچ های بستن heatsink اعمال می شود. ماده TIM انتخاب شده Honeywell PTM 7000 است. این ماده تغییر فاز با هدایت حرارتی ۶٫۵ وات بر متر مکعب است. مقاومت در برابر تماس TIM در دمای بالاتر از ۴۵ درجه سانتیگراد کم است. این امر می تواند با گرم کردن آب خنک (از جمله ماژول DSC) به مدت ۱ ساعت در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد به دست آید. مواد TIM از حالت جامد به حالت مایع در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد تغییر می کند. برای اندازه گیری امپدانس حرارتی IGBT یا دیود، یک جریان گرمایی ۲۵۰ با جریان حس ۱۰۰ میلی آمپر (IM) بر روی دستگاه تحت آزمایش (DUT) اعمال می شود تا زمانی که به حالت پایدار گرمایی (۳۰ ثانیه) برسد. در طول مرحله گرمایش، افت ولتاژ انتشار دهنده جمع کننده کنترل می شود که برای محاسبه قدرت گرمایش IGBT یا دیود استفاده می شود. هنگامی که ماژول به شرایط حالت گرمایی پایدار رسید، جریان گرمایش خاموش یا کاهش یافته و به سطح جریان فعلی حس می شود. تغییرات ولتاژ مربوطه (Vce ، Vf) DUT توسط تستر MicRed Power ثبت می شود. اختلالات الکتریکی در ابتدای اندازه گیری ها (گذرا ولتاژ) توسط نرم افزار اصلی T3ster اصلاح شد. منحنی های گذرا خنک کننده IGBT و دیود سپس توسط معادلات زیر (۱) و (۲) به دمای محل اتصال تبدیل می شوند:

در جایی که PH توان تلف شده در IGBT یا دیود و TC دمای سیال است.

اندازه گیری ها در دمای سیال ۶۵ درجه سانتیگراد و دبی ۸ لیتر در دقیقه انجام می شود و دمای سیال توسط یک چیلر چرخشی کنترل می شود. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، برای ارزیابی Rth-JC با استفاده از روش TDIM توضیح داده شده در استانداردهای JESD51-14 [3]، دو منحنی امپدانس حرارتی (با و بدون TIM) اندازه گیری می شوند. تغییر دما با و بدون ماده TIM به ترتیب ۲۵ درجه سانتیگراد و ۴۵ درجه سانتیگراد است. گام قدرت مربوطه با و بدون مواد TIM 200W و ۲۰۵٫۴W است. با نرمال سازی تغییر دما با گام قدرت می توان Zth-JF را محاسبه کرد. مقدار نهایی Zth-JF IGBT برابر ۰٫۱۲۶ K / W است. در همان شرایط منحنی امپدانس دیود ۰٫۱۹ K / W محاسبه می شود. استفاده از مواد TIM مقاومت حرارتی را از کیس تا هیت سینک کاهش می دهد، بنابراین نقطه انحراف دو منحنی امپدانس نشان داده شده در شکل پنجم ، Rth-JC موثر است. از آنجا که دو منحنی به تدریج از هم جدا می شوند، تعریف دقیق نقطه واگرای منحنی ها دشوار است. نرم افزار master T3ster از دو روش مختلف برای تعریف نقطه تفکیک استفاده می کند.

به منظور تعریف دقیق تر واگرایی، مشتقات منحنی امپدانس در نظر گرفته شده اند. مرحله بعدی عادی کردن تفاوت مشتقات با فاصله حالت پایدار (Δθ) منحنی های امپدانس حرارتی است. با توجه به سر و صدا در اختلاف نرمال، برای برآورد Rth-JC متناسب نیاز به تناسب نمایی است. Rth-JC موثر IGBT دو مسیر جریان گرما در DSC را به عنوان یك مسیر موثر تعیین شده توسط جریان حرارتی بالا و پایین در ماژول DSC در نظر می گیرد. Rth-JC ، IGBT موثر اندازه گیری شده ۰۳/۰ K / W و برای دیود ۰۵/۰ K / W با استفاده از روش دلتا مشتق شده است.

عملکرد ساختار (SF) IGBT و دیود حاصل جمع ظرفیت حرارتی تجمعی به عنوان تابعی از مقاومت حرارتی تجمعی از محل اتصال به مایع است. تابع سازه خصوصیات حرارتی هر لایه را از محل اتصال تا هیت سینک تعریف می کند. اگر خصوصیات حرارتی مواد تغییر کند، SF شروع به انحراف می کند. اختلاف تجمعی دو عملکرد ساختاری (با و بدون TIM) مقدار Rth-JC را تعریف می کند. منحنی های امپدانس را می توان با استفاده از نرم افزار master T3ster به عملکرد ساختار تبدیل کرد.

مقاومت حرارتی هر لایه را می توان با تغییرات شیب در عملکرد سازه تعریف کرد. از عملکرد ساختار IGBT ، افزایش ظرفیت حرارتی نشان می دهد که حجم ماده گرم می شود و افزایش مقاومت حرارتی نشان می دهد که گرما از یک لایه به لایه دیگر منتقل می شود.

Rth-JC موثر IGBT و دیود با استفاده از تجزیه و تحلیل SF 0.03 K / W و ۰٫۰۵ K / W است. هر دو روش نتایج ثابتی را ایجاد می کنند.

ماژول های DSC یک راه حل مقرون به صرفه است؛ حتی با سیلیسیم کمتری می توانیم به عملکرد حرارتی بهتری برسیم. جدول ۱ مقایسه ماژول DSC را با ماژول سرد مستقیم مستقیم یک طرفه برای همان تراشه IGBT و Diode نشان می دهد. لازم به ذکر است که حتی با ۲۳ درصد مساحت کمتر سیلیکون ، امپدانس حرارتی قالب IGBT مشابه ماژول خنک کننده مستقیم یک طرفه است. در مورد دیود، همان عملکرد گرمایی ماژول خنک کننده مستقیم یک طرفه را می توان با ۲۳ درصد مساحت سیلیکون کمتر به دست آورد. ماژول DSC مزایای دیگری را نیز در اختیار شما قرار می دهد که در اینجا ارزیابی نمی شود. مانند بسته بندی بدون سیم باند، دمای اتصال دستگاه ۱۷۵ درجه سانتیگراد برای کار مداوم، عدم وجود صفحه پایه مس و هزینه کمتر در هر کیلووات به دلیل طراحی بسته بندی انتقال داده شده. نتایج همچنین تأیید می کند که برای دستیابی به عملکرد مشابه ماژول با خنک کننده مستقیم یک طرفه، می توان از تراشه نیمه هادی ۲۰٪ کوچکتر در بسته DSC استفاده کرد.