Investigación sobre el método de prueba térmica del módulo IGBT automotriz de disipación de calor de doble cara

Investigación sobre el método de prueba térmica del módulo IGBT automotriz de disipación de calor de doble cara

En comparación con los módulos de potencia tradicionales de refrigeración de un solo lado (SSC), los módulos de refrigeración de doble cara (DSC) tienen capacidades de disipación de calor más sólidas y parámetros parásitos más bajos.Para mejorar aún más la eficiencia, la densidad de potencia y la confiabilidad de los controladores de motores de automóviles, la aplicación de módulos de potencia de enfriamiento de doble cara en vehículos eléctricos ha recibido cada vez más atención.Con la exitosa aplicación masiva de dispositivos IGBT automotrices de refrigeración de doble cara por parte de fabricantes como Toyota (Denso), GM (Delphi) y Tesla (ST), la demanda del mercado de módulos IGBT de refrigeración de doble cara ha aumentado considerablemente.

El módulo de potencia de disipación de calor de doble cara adopta una estructura de embalaje tridimensional avanzada con múltiples canales de transferencia de calor.El método de prueba de resistencia térmica existente todavía utiliza el método de prueba de resistencia térmica de transferencia de calor de un solo canal.A diferencia de los módulos IGBT de refrigeración de un solo lado tradicionales, los módulos IGBT automotrices de refrigeración de doble cara conducen calor simultáneamente a la parte delantera y trasera.Su método de disipación de calor es similar al de un módulo IGBT de ajuste a presión.Debido a las diferentes estructuras del paquete, la ruta interna de disipación de calor y la resistencia térmica serán bastante diferentes, y es necesario reconsiderar el método de evaluación.Sólo unos pocos fabricantes importantes, como Infineon, han lanzado productos serializados para la disipación de calor por ambos lados.

Protocolo de prueba térmica

Los métodos de prueba de temperatura de unión IGBT incluyen principalmente parámetros térmicos, simulación de elementos finitos, calibración de sensores, escaneo infrarrojo, etc. Las características estructurales del módulo IGBT de enfriamiento de doble cara determinan que requiere una resistencia térmica de contacto muy alta.Sin embargo, el problema de curvatura introducido por el proceso único del módulo X dará lugar a un efecto de engarzado directo deficiente entre la superficie de disipación de calor y el disipador de calor.La premisa de la prueba del método de doble interfaz es garantizar que las rutas de disipación de calor de la caja de unión del chip sean consistentes en las dos condiciones de interfaz.El ajuste a presión directo hará que sea inconsistente con el curso de la interfaz de grasa de silicona y la parte frontal de la curva estructura-función no coincidirá, lo que resultará en la imposibilidad de probar la resistencia térmica con precisión.Por lo tanto, el método tradicional de doble interfaz no es adecuado para pruebas térmicas de módulos IGBT automotrices con disipación de calor de doble cara.Es necesario desarrollar nuevos materiales de interfaz en lugar de engarzado directo para garantizar la coherencia de las rutas de disipación de calor de las dos interfaces.

Para resolver los problemas anteriores, este artículo propone de manera innovadora un método de prueba térmica para una estructura de disipación de calor de doble interfaz.Para optimizar el método tradicional de doble interfaz, dos materiales de interfaz térmica diferentes, A y B, separan las curvas estructura-función.El método de prueba de resistencia térmica del acoplamiento de doble cara de materiales de doble interfaz se muestra en la Figura 1 y los pasos son los siguientes.

Las superficies de refrigeración primaria y secundaria del módulo están cubiertas con materiales de interfaz térmica A y B, que se ajustan a presión en el disipador de calor.El radiador continúa pasando agua, se inicia la prueba de resistencia térmica y se obtienen las curvas estructura-función 1-1 1-2.

La parte superpuesta de las dos curvas de función de la estructura es la resistencia térmica de la caja de conexiones de doble cara del módulo.

La estructura de la superficie metálica de los productos IGBT automotrices con refrigeración de doble cara solo conduce calor y no electricidad.Su ruta de disipación de calor puede entenderse como dos dispositivos con diferentes parámetros de potencia y resistencia térmica que conducen calor a dos superficies simultáneamente, una detrás de otra.Siempre que intentemos lograr una disipación de calor de doble cara y una disipación de calor de una sola cara para productos automotrices, las curvas estructura-función de las superficies de disipación de calor primaria y secundaria del módulo IGBT se pueden medir en teoría.La forma de eliminar el efecto de acoplamiento de la conducción de calor bilateral es realizar la conducción de calor unilateral.El método de prueba de resistencia térmica de un solo lado de materiales de doble interfaz se muestra en la Figura 2, y los pasos específicos son los siguientes.

1) La superficie principal de disipación de calor del módulo está cubierta con material aislante del calor y la superficie secundaria de disipación de calor se ajusta a presión en el radiador a través de los materiales de interfaz A y B. El radiador continúa pasando agua para disipar el calor y la estructura. Las curvas de función de la superficie secundaria de disipación de calor se miden 2-1, 2-2.

2) La superficie secundaria de disipación de calor del módulo está cubierta con un material aislante del calor y la superficie primaria de disipación de calor se ajusta a presión en el radiador a través de los materiales de interfaz A y B. El radiador continúa pasando agua para disipar el calor y la estructura -las curvas de función de la superficie primaria de disipación de calor se miden 3-1, 3-2.

Las rutas de conducción térmica entre la unión y la caja son idénticas para las dos mediciones en un lado, y sólo la resistencia térmica entre la caja y el disipador es diferente.Por lo tanto, las dos curvas de función estructural están separadas en la superficie de enfriamiento del módulo, y la parte superpuesta es la resistencia térmica de la caja de unión correspondiente.La resistencia térmica relacionada de un solo lado entre la unión y la caja se puede obtener mediante el método anterior.

A partir de las características estructurales y de calefacción del módulo X, mediante el diseño estructural, el análisis de simulación y la optimización, se logra el diseño del radiador con alta eficiencia de intercambio de calor.Bajo la condición de la máxima potencia de calentamiento del dispositivo, la diferencia de temperatura entre las superficies de enfriamiento superior e inferior está dentro de 1°C, y la diferencia de temperatura entre el agua de entrada y salida está dentro de 2°C.El diseño general del dispositivo de prueba térmica del módulo X se muestra en la Figura 3.

Selección de materiales

De acuerdo con el plan de prueba térmica del material de doble interfaz, es necesario seleccionar un material adecuado de conductividad térmica y aislamiento térmico como interfaz para realizar la prueba de impedancia térmica de doble cara y de una sola cara del módulo IGBT.Teniendo en cuenta las propiedades físicas y químicas de diversos materiales, se decidió elegir una película de grafito disipadora de calor y grasa de silicona térmicamente conductora como materiales de interfaz térmica para la prueba de resistencia térmica del módulo X.

Se seleccionaron el pegamento flexible de airtel y poliuretano PU como materiales candidatos de interfaz de aislamiento térmico para la prueba térmica del módulo X.Para verificar el rendimiento real de aislamiento térmico de los dos materiales, se utilizan dos materiales para aislar la superficie secundaria de disipación de calor respectivamente.La prueba de comparación de resistencia térmica de la superficie principal de disipación de calor utiliza una película de grafito homogénea de material conductor de calor.

Los resultados de la comparación muestran que la resistencia térmica del anillo de unión y la temperatura de unión más alta medidas en condiciones adiabáticas del adhesivo de poliuretano PU son menores que las del aerogel.Muestra que bajo el mismo par de presión, la capacidad de aislamiento térmico de Airtel es mejor que la del pegamento de poliuretano PU.Por lo tanto, se eligió airtel como material de aislamiento térmico para la prueba térmica.

Pruebas Térmicas y Análisis de Resultados

Las condiciones de prueba de comparación de la fuerza de ajuste a presión se diseñaron para estudiar la influencia del par de ajuste a presión en la resistencia térmica de la caja de conexiones del módulo X.A medida que aumenta el par de ajuste a presión, disminuye la resistencia térmica del anillo de unión del dispositivo del módulo X IGBT y FRD.Sin embargo, la prueba de resistencia térmica de la caja de unión no mostró cambios significativos.Muestra que para módulos IGBT de disipación de calor de doble cara, diferentes pares de ajuste a presión solo afectan la resistencia térmica de contacto entre el dispositivo y el disipador de calor y no tienen ningún efecto en la prueba de su resistencia térmica de la caja de conexiones.

El modelo de simulación térmica del módulo X se muestra en la Figura 4.

Según el método del material de doble interfaz, se lleva a cabo la prueba de resistencia térmica de un solo lado de las superficies de disipación de calor primaria y secundaria del módulo X.Los resultados de la prueba muestran que la resistencia térmica unilateral de los tubos superior e inferior medida con este método tiene una buena consistencia.

La desviación entre los valores medidos y simulados de la resistencia térmica de doble cara de IGBT y FRD está dentro del ±5%.La divergencia entre el valor estimado y el valor falso de la resistencia térmica de la superficie primaria de disipación de calor está dentro del ±10%.El valor medido de la resistencia térmica de la superficie de refrigeración secundaria se desvía aproximadamente un 70% del valor simulado.

Dado que no existe un material de aislamiento térmico absoluto, no se puede eliminar el efecto de acoplamiento térmico del módulo de refrigeración de doble cara.Para la condición de aislamiento térmico de la superficie de disipación de calor secundaria, la mayor parte del calor fluye a través de la superficie de disipación de calor primaria sin material de aislamiento térmico para formar una disipación de calor de un solo lado ideal, y la desviación del valor de prueba es leve.Para la condición adiabática de la superficie primaria de disipación de calor, algo de calor fluirá a través de la superficie primaria de disipación de calor con material aislante del calor, y el efecto de acoplamiento es relativamente significativo.Esto conduce a una gran desviación entre los valores de prueba y simulados.

Para el efecto de acoplamiento térmico en la prueba térmica de la superficie de disipación de calor secundaria, el método de corrección es eliminar el efecto de acoplamiento invirtiendo la resistencia térmica de la superficie de disipación de calor secundaria en función de la resistencia térmica medida de la superficie de disipación de calor primaria y ambas. lados.El error del resultado corregido se reduce hasta un 25%.

Se realizaron repetidas pruebas de ajuste a presión y de resistencia térmica en el módulo X para verificar la repetibilidad del método de prueba térmica del módulo IGBT automotriz de disipación de calor de doble cara.Los resultados muestran que la desviación de los cinco resultados de la prueba está dentro del ±2%, lo que indica que el método de prueba térmica tiene buena repetibilidad y generalización.

Conclusión

Basado en el estudio comparativo del diseño de herramientas de prueba térmica, la selección del material de la interfaz y los métodos de ajuste a presión, se propone un método de prueba térmica para materiales de interfaz de disipación de calor dual adecuados para módulos IGBT automotrices de disipación de calor de doble cara.Este método puede realizar pruebas de resistencia térmica de cajas de conexiones de una y dos caras.Para el módulo IGBT automotriz con disipación de calor de doble cara, diferentes pares de torsión de ajuste a presión dentro de un rango específico no afectan la prueba de resistencia térmica de la caja de conexiones.La desviación entre los valores medidos y simulados de la resistencia térmica de doble cara de IGBT y FRD obtenidos mediante el método de prueba de resistencia térmica de doble cara está dentro de ±5%.La desviación entre el valor medido y simulado de la resistencia térmica unilateral está dentro del ±10%.Esto puede realizar con precisión la prueba de resistencia térmica del IGBT automotriz de disipación de calor de doble cara, y los resultados son del valor de referencia.El efecto de acoplamiento térmico del módulo de disipación de calor de doble cara no se puede eliminar, lo que resulta en la pequeña cuestión de la resistencia térmica medida y simulada de un lado.El efecto de acoplamiento se puede reducir y los resultados de la prueba se pueden corregir invirtiendo la resistencia térmica de la superficie de disipación de calor secundaria en función de la resistencia térmica medida de la superficie de disipación de calor primaria y de ambos lados.El método de prueba térmica tiene buena repetibilidad y generalización.