Disipación de calor de dispositivos electrónicos de alta potencia

La electrónica de alta potencia está en el corazón de aplicaciones como vehículos eléctricos, turbinas eólicas, trenes de alta velocidad y redes eléctricas.En la actualidad, los dispositivos electrónicos de alta potencia se están desarrollando hacia un alto nivel de potencia y una alta integración.Por lo tanto, el problema de la disipación de calor está inevitablemente relacionado.El calor generado por los dispositivos semiconductores de alta potencia hará que aumente la temperatura del chip.Sin las medidas adecuadas de disipación de calor, la temperatura de funcionamiento del chip superará la temperatura máxima permitida.Esto conducirá al deterioro o incluso al daño del rendimiento del dispositivo.Los estudios han demostrado que por cada 10 °C de aumento en la temperatura de un chip semiconductor, la confiabilidad del chip se reducirá a la mitad.Cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento del dispositivo, menor será la vida útil del dispositivo.Reducir la temperatura de un dispositivo es una forma efectiva de extender su ciclo de vida.En esta etapa, ha habido muchas investigaciones sobre el diseño térmico y la optimización de la disipación de calor de varios dispositivos y equipos electrónicos.

El impacto de la temperatura en la vida de los dispositivos electrónicos se refleja principalmente en dos aspectos.Una es la falla térmica del chip y la otra es el daño por estrés.La temperatura de trabajo segura de los chips de silicio comunes es generalmente de 40 ~ 50 ℃, y el dispositivo puede funcionar normalmente dentro del rango de temperatura de trabajo seguro.Cuando la temperatura de la unión supera la temperatura de funcionamiento segura, provocará una falla térmica del chip.La temperatura de unión máxima permitida para los chips de silicio es generalmente de 175 °C.Por otro lado, debido a la diferencia en el coeficiente de expansión de cada material en el dispositivo, una temperatura de unión demasiado alta provocará un aumento del estrés térmico en el chip.Esto, a su vez, provoca daños mecánicos, como la flexión de la soldadura en el chip y la caída del cable de unión.Algunos académicos han señalado en su investigación que, debido a la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el marco de plomo de cobre y el chip de silicio en el paquete, debido a la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre los chips flip en marcos de plomo, la tensión térmica bajo la acción de la carga térmica causará daños. a la estructura superficial del chip conectado a las juntas de soldadura..Algunos académicos también señalaron en el artículo que la tensión residual generada por la tecnología tradicional de interconexión de soldadura por reflujo utilizada en el empaque de dispositivos semiconductores se agravará aún más a altas temperaturas.Eventualmente conduce a la fractura frágil del chip y la capa de soldadura del sustrato.Además, una temperatura de unión excesivamente alta también puede provocar la ruptura térmica del chip, o incluso la fusión térmica del chip.Estas fallas son fallas no recuperables, por lo que el daño de la alta temperatura al dispositivo es fatal.

Los parámetros del propio dispositivo electrónico son muy sensibles a los cambios de temperatura.Su resistencia en estado, caída de tensión directa, tensión de umbral, corriente de conducción y otros parámetros cambiarán con el cambio de temperatura.Por ejemplo, la resistencia en estado activo de un MOSFET de potencia aumenta aproximadamente de forma lineal con el aumento de la temperatura de la unión.Por lo tanto, la pérdida homomórfica del dispositivo también aumentará, lo que hará que el dispositivo genere más calor.Esto aumenta aún más la temperatura de la unión, creando un círculo vicioso.Para IGBT, estudios relevantes han demostrado que el tiempo de retardo de apagado aumentará con el aumento de la temperatura de unión operativa del dispositivo.El uso razonable de los parámetros térmicos se puede utilizar como parámetro de caracterización de la temperatura de unión del dispositivo.La pérdida de control de los parámetros térmicos puede causar daños graves al dispositivo, y el daño causado por los parámetros térmicos tiende a deteriorarse aún más con el aumento de la temperatura.

Como componentes centrales de los equipos electrónicos de potencia, los dispositivos electrónicos de potencia generarán inevitablemente diversas pérdidas durante el funcionamiento, incluidas las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación.Si el calor generado por el dispositivo no se disipa a tiempo en el entorno circundante, la alta temperatura de funcionamiento afectará gravemente el funcionamiento normal del dispositivo y su funcionamiento fiable.Con el avance de la tecnología de electrónica de potencia, los equipos se están desarrollando en la dirección de la miniaturización y la compacidad.Esto hace que las características de concentración de calor y área pequeña de disipación de calor de los dispositivos electrónicos de potencia sean cada vez más prominentes, lo que resulta en un aumento continuo de la densidad de flujo de calor superficial de los dispositivos.En aplicaciones de alta potencia, es necesario instalar disipadores de calor adicionales para lograr un funcionamiento confiable del equipo.Además, con la aplicación de nuevos materiales como SiC en dispositivos electrónicos de potencia, debido a la reducción del tamaño del chip, la densidad de flujo de calor local es mayor y los requisitos de disipación de calor son mayores.

Con el rápido desarrollo de los dispositivos electrónicos de potencia, los escenarios de aplicación están en constante expansión y son complejos.El equipo generalmente se enfrenta a varios entornos externos, como alta temperatura, alta humedad, alto contenido de sal, vibración e incluso vacío.Esto somete el dispositivo y los componentes en su interior a varias pruebas.Al mismo tiempo, se imponen mayores requisitos al sistema de disipación de calor del equipo.Por lo tanto, es necesario considerar la influencia de diferentes parámetros ambientales en el diseño térmico del dispositivo.Algunos académicos han analizado las necesidades de desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia a temperaturas extremas, señalando que los entornos de temperatura extremadamente alta y baja en la industria aeroespacial y otros campos son inevitables para los dispositivos electrónicos de potencia.Por lo tanto, la investigación del rendimiento de los dispositivos en entornos extremos es muy importante.Algunos académicos han considerado las características de alta temperatura y alta humedad en el entorno de la mina de carbón y han analizado las características de aumento de temperatura del convertidor de potencia del motor de la mina en un entorno húmedo.A través de la simulación y la investigación experimental, se encuentra que bajo la misma temperatura ambiente, el aumento de temperatura máxima del convertidor de potencia disminuye con el aumento de la humedad relativa del ambiente.Esto tiene una comprensión preliminar de la ley de calentamiento en ambientes húmedos.Debido a la complejidad del entorno de aplicación, en el diseño de equipos de electrónica de potencia se debe considerar no solo la influencia del entorno sobre los componentes internos, sino también la particularidad del diseño térmico del equipo.De acuerdo con las diferentes características ambientales, optimice el método de disipación de calor.Además, también es necesario considerar la influencia del entorno en el sistema de disipación de calor para mejorar la eficiencia de disipación de calor y la fiabilidad del sistema de disipación de calor.

El diseño térmico de la electrónica de potencia involucra más que solo el campo de la transferencia de calor.Como se muestra en la Figura 1, en el análisis de la ruta de transferencia de calor de los dispositivos electrónicos de potencia típicos utilizando el método de simulación termoeléctrica, para lograr un buen efecto de disipación de calor y tener en cuenta los requisitos de confiabilidad, peso ligero y miniaturización del equipo, es necesario considerar exhaustivamente el campo de temperatura y el campo de estrés Acoplamiento con el campo de flujo.Del análisis anterior se desprende que el diseño térmico de equipos electrónicos de potencia es una investigación que involucra muchas disciplinas como la mecánica, la electrónica, la transferencia de calor y la mecánica de fluidos.Por lo tanto, es necesario considerar el diseño de integración mecánico-eléctrico-térmico de dispositivos electrónicos de potencia, y centrarse en el acoplamiento de campos multifísicos eléctrico-térmico-mecánicos de dispositivos electrónicos de potencia.

El proceso de transferencia de calor de los dispositivos electrónicos de potencia incluye tres formas: conducción de calor, convección de calor y radiación de calor.La conducción de calor desde el chip al disipador de calor y la convección de calor desde el disipador de calor al entorno circundante son los principales métodos de transferencia de calor.El diseño de disipación de calor de equipos electrónicos de potencia parte principalmente de estos dos aspectos.Los métodos comunes de disipación de calor se pueden dividir en disipación de calor activa, disipación de calor pasiva y enfriamiento termoeléctrico de acuerdo con la forma en que se extrae el calor del radiador.La disipación de calor pasiva incluye principalmente la convección natural común, el contacto indirecto gas-líquido, el enfriamiento por cambio de fase sólido-líquido y el enfriamiento por líquido de inmersión por contacto directo y el enfriamiento por cambio de fase.El enfriamiento activo incluye principalmente el enfriamiento por aire forzado común y el enfriamiento por líquido forzado.Para aprovechar al máximo la capacidad de disipación de calor de los métodos de disipación de calor existentes, la tecnología de disipación de calor de los equipos electrónicos de potencia optimiza y mejora constantemente los métodos de disipación de calor existentes mientras desarrolla nuevas tecnologías de disipación de calor.La Figura 2 es un diagrama esquemático del rango de flujo de calor correspondiente a los métodos comunes de disipación de calor.

La tecnología de disipación de calor por convección natural utiliza aire como medio de transferencia de calor.Utiliza la flotabilidad generada por la expansión térmica y la contracción fría del propio aire para hacer que el aire fluya alrededor de la aleta del radiador para realizar el intercambio entre el aire caliente y el aire frío.En comparación con otros métodos de disipación de calor, la disipación de calor por convección natural no requiere energía adicional, estructura simple, operación confiable y básicamente no requiere mantenimiento.Es ampliamente utilizado en la situación de bajo flujo de calor.Debido a la estructura de disipación de calor simple, la investigación sobre la disipación de calor por convección natural se centra principalmente en la optimización de la estructura de disipación de calor y la dirección de instalación.En los últimos años, hay muchas investigaciones sobre la disipación de calor apoyadas en la teoría de la sinergia de campo.

A diferencia de la disipación de calor por convección natural, el movimiento del aire enfriado por aire forzado es impulsado por un ventilador.Debido a que la velocidad del aire aumenta considerablemente, su capacidad de disipación de calor es más fuerte.Su flujo de calor es obviamente más alto que la disipación de calor por convección natural, alrededor de 5 a 10 veces el enfriamiento por aire natural.El diseño de la estructura de refrigeración por aire forzado incluye principalmente el diseño de los parámetros de la estructura del disipador de calor, la selección del ventilador de refrigeración y el diseño del conducto de aire fluido.Estos tres aspectos del diseño hacen que el área de disipación de calor, el flujo de aire y la caída de presión de aire se equilibren, para que la disipación de calor de enfriamiento por aire forzado tenga el mejor efecto.Debido a que el efecto de disipación de calor del enfriamiento por aire forzado es obviamente mejor que el del enfriamiento por aire natural, aunque el efecto de disipación de calor no es tan bueno como el del enfriamiento por líquido forzado, su complejidad, volumen, peso y mantenimiento tardío son obviamente mejores que los de refrigeración líquida.Puede ser ampliamente utilizado y desarrollado rápidamente en el diseño térmico de dispositivos electrónicos de alta potencia.

La Figura 3 muestra una estructura típica de forzado refrigeración líquida.El calor generado por la fuente de calor en la estructura de disipación de calor se transfiere al líquido de enfriamiento a través del empaque del dispositivo y la placa de enfriamiento de líquido en forma de conducción de calor.El líquido calentado se transporta a la sección del intercambiador de calor bajo la acción de la bomba y el calor se disipa al entorno circundante a través del intercambiador de calor.El enfriamiento por líquido forzado, a diferencia del enfriamiento por aire forzado, transfiere calor de la fuente de calor a la parte del intercambiador de calor enfriando el líquido.El contacto directo con la fuente de calor es líquido y la conductividad térmica del líquido es significativamente mayor que la del aire, por lo tanto, su efecto de disipación de calor es significativamente mejor que la disipación de calor del enfriamiento por aire forzado, aproximadamente 6 ~ 10 veces más que el enfriamiento por aire.En la disipación de calor por refrigeración líquida, el uso de medios con mejor conductividad térmica puede mejorar significativamente el efecto de disipación de calor.Algunos académicos propusieron la aplicación de metal líquido como medio de enfriamiento en el desarrollo térmico del sistema de enfriamiento de dispositivos electrónicos de potencia, y verificaron la posibilidad de aplicación de metal líquido en la disipación de calor de enfriamiento líquido de dispositivos electrónicos de potencia de alta potencia a través de simulación y experimentación. .Debido a la existencia de líquido en el sistema, es necesario considerar la sustitución del líquido y evitar daños por fugas de líquido al dispositivo.El enfriamiento líquido forzado tiene altos requisitos en cuanto a la confiabilidad del líquido y el sistema de tuberías.Debido a la estructura compleja del sistema y muchos componentes, el volumen y el peso del sistema son obviamente mayores que la disipación de calor del enfriamiento por aire.Por lo tanto, el entorno de aplicación de refrigeración líquida forzada tiene ciertas restricciones.

El enfriamiento termoeléctrico aprovecha el efecto Partier de los materiales semiconductores, en el que una corriente eléctrica fluye a través de la interfaz de dos materiales diferentes, absorbiendo o liberando calor del mundo exterior.En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de fabricación de materiales semiconductores, el enfriamiento termoeléctrico se ha desarrollado rápidamente.La figura 4 muestra una estructura típica de refrigeración termoeléctrica.Aunque el extremo de enfriamiento del enfriamiento termoeléctrico puede reducir significativamente la temperatura de la fuente de calor, su capacidad total de disipación de calor se limita a la del extremo caliente.El efecto de disipación de calor de todo el sistema está estrechamente relacionado con el modo de disipación de calor del extremo caliente.Debido a que aún es necesario tomar medidas de disipación de calor en el extremo caliente de la refrigeración termoeléctrica, el sistema general de disipación de calor es complicado y engorroso, lo que restringe su aplicación.

Disipación de calor por tubería de calor es un principio de transferencia de calor por cambio de fase líquida.El líquido saturado dentro del tubo de calor absorbe el calor del lado de alta temperatura y se vaporiza.El vapor saturado fluye hacia el lado de baja temperatura para exotermarse y condensarse en líquido, y regresa al lado de alta temperatura bajo la acción de la gravedad o la fuerza capilar para continuar participando en el ciclo de absorción y exotermia.La figura 5 muestra la estructura típica de un tubo de calor por gravedad.Aunque la disipación de calor de la tubería de calor es una disipación de calor pasiva, tiene una excelente conductividad térmica que es incomparable con otros metales.En los últimos años, varias formas de tecnología de disipación de calor por tubería de calor se han desarrollado rápidamente.

Hay dos definiciones principales de microcanales.Un canal con un diámetro hidráulico de 0,01 ~ 0,2 mm puede denominarse microcanal.El otro se define por la relación entre la flotabilidad y la tensión superficial.Independientemente de la definición, la tecnología de disipación de calor de microcanales ha atraído cada vez más la atención de los investigadores debido a sus ventajas sobresalientes, como el tamaño pequeño, la pequeña diferencia de temperatura de transferencia de calor y la alta eficiencia de transferencia de calor por unidad de área.En los últimos años, con la mejora continua de la teoría de microcanales y el rápido desarrollo de la tecnología de procesamiento, esta tecnología se ha convertido en un tema candente de investigación para los académicos.La investigación sobre microcanales tecnología de disipación de calor se enfoca principalmente en la optimización del tamaño del canal y las características de transferencia de calor y flujo del medio del canal.

Con la profundización de la investigación y el desarrollo, se han aplicado nuevos materiales en varios niveles estructurales.Aplicación de materiales semiconductores de banda prohibida de SiC en dispositivos de conmutación.Aplicación de nuevo medio de cambio de fase con alta confiabilidad en la disipación de calor por cambio de fase.En materiales de interfaz térmica, varios componentes de aplicaciones de metal líquido.

Al resolver el problema de la disipación de calor de los dispositivos electrónicos de alta potencia, se debe basar primero la teoría de la termodinámica.Comenzando con las leyes fundamentales de la termodinámica;Dar importancia a la investigación y desarrollo de nuevos materiales y producción.Ya sea material de disipación de calor o material de interfaz térmica, el nuevo material tiene ventajas incomparables.Desarrolle nuevos materiales con propiedades térmicas superiores y reduzca el costo de producción y aplicación, para que puedan ser ampliamente utilizados.Esto puede aprovechar al máximo el potencial de la tecnología de disipación de calor y mejorar el efecto de disipación de calor.La investigación de nuevas tecnologías de disipación de calor también debe continuar en profundidad.En el proceso de desarrollo de la tecnología de disipación de calor existente de pasiva a activa, de convección natural a enfriamiento por aire forzado a enfriamiento por líquido forzado, y de disipación de calor monofásica a disipación de calor multifásica, el flujo de calor ha aumentado considerablemente.Aunque el nuevo modo de disipación de calor inevitablemente estará acompañado por el cambio de la estructura general, el aumento del flujo de calor es significativo, lo cual es de gran importancia para mejorar el efecto de disipación de calor general del equipo.