Время публикации: 2023-07-17 Происхождение: Работает
Исследование метода теплового испытания автомобильного модуля IGBT с двусторонним рассеиванием тепла
По сравнению с традиционными силовыми модулями с односторонним охлаждением (SSC), модули с двусторонним охлаждением (DSC) обладают более надежными возможностями рассеивания тепла и более низкими паразитными параметрами.Для дальнейшего повышения эффективности, удельной мощности и надежности контроллеров автомобильных двигателей все больше внимания уделяется применению модулей двустороннего охлаждения в электромобилях.Благодаря успешному массовому применению автомобильных IGBT-устройств с двусторонним охлаждением у таких производителей, как Toyota (Denso), GM (Delphi) и Tesla (ST), рыночный спрос на IGBT-модули с двусторонним охлаждением резко возрос.
Силовой модуль с двусторонним рассеиванием тепла имеет усовершенствованную трехмерную конструкцию корпуса с несколькими каналами теплопередачи.В существующем методе испытания на термическое сопротивление по-прежнему используется метод испытания на термическое сопротивление одноканальной теплопередачи.В отличие от традиционных IGBT-модулей с односторонним охлаждением, автомобильные IGBT-модули с двусторонним охлаждением одновременно отводят тепло как на переднюю, так и на заднюю стороны.Его метод рассеивания тепла аналогичен методу запрессованного модуля IGBT.Из-за различной структуры корпуса внутренний путь рассеивания тепла и тепловое сопротивление будут совершенно разными, и метод оценки необходимо пересмотреть.Лишь несколько крупных производителей, таких как Infineon, выпустили серийные продукты с двусторонним отводом тепла.
Методы тестирования температуры перехода IGBT в основном включают определение теплового параметра, моделирование методом конечных элементов, калибровку датчика, инфракрасное сканирование и т. д. Структурные характеристики модуля IGBT с двусторонним охлаждением определяют, что для него требуется очень высокое контактное тепловое сопротивление.Однако проблема выпуклости, возникающая из-за уникального процесса модуля X, приведет к плохому эффекту прямого обжатия между поверхностью рассеивания тепла и радиатором.Целью испытания метода двойного интерфейса является обеспечение того, что пути рассеивания тепла между переходом микросхемы и корпусом одинаковы в двух условиях интерфейса.Непосредственная запрессовка сделает его несоответствующим ходу границы раздела силиконовой смазки, а передняя часть кривой структурно-функциональной характеристики не будет совпадать, что приведет к невозможности точного измерения термического сопротивления.Поэтому традиционный метод двойного интерфейса непригоден для тепловых испытаний автомобильных IGBT-модулей с двусторонним отводом тепла.Необходимо разработать новые материалы интерфейса вместо прямого обжатия, чтобы обеспечить согласованность путей отвода тепла от двух интерфейсов.
Для решения вышеуказанных проблем в данной статье предлагается новаторский метод тепловых испытаний для структуры рассеивания тепла с двойным интерфейсом.Чтобы оптимизировать традиционный метод двойного интерфейса, два разных термоинтерфейсных материала A и B разделяют кривые структурной функции.Метод испытания термостойкости двустороннего соединения материалов с двойным интерфейсом показан на рисунке 1, этапы заключаются в следующем.
Первичная и вторичная охлаждающие поверхности модуля покрыты термоинтерфейсными материалами A и B, которые запрессовываются на радиаторе.Радиатор продолжает пропускать воду, начинается испытание на термическое сопротивление и получаются структурно-функциональные кривые 1-1 1-2.
Перекрывающаяся часть двух кривых структурных функций представляет собой двустороннее тепловое сопротивление корпуса перехода модуля.
Металлическая поверхностная структура автомобильных IGBT-продуктов с двусторонним охлаждением проводит только тепло, а не электричество.Его путь рассеивания тепла можно понимать как два устройства с разными параметрами мощности и термического сопротивления, передающие тепло одновременно на две поверхности вплотную друг к другу.Пока мы пытаемся добиться двустороннего и одностороннего рассеивания тепла для автомобильной продукции, кривые структурно-функциональной характеристики первичной и вторичной поверхностей рассеивания тепла модуля IGBT можно измерить теоретически.Способ устранения эффекта связи двусторонней теплопроводности заключается в реализации односторонней теплопроводности.Метод испытания одностороннего термического сопротивления материалов с двойным интерфейсом показан на рисунке 2, а конкретные этапы заключаются в следующем.
1) Основная поверхность теплоотвода модуля покрыта теплоизоляционным материалом, а вторичная поверхность теплоотвода запрессована на радиаторе через интерфейсные материалы А и Б. Радиатор продолжает пропускать воду для отвода тепла, а конструкция- функциональные кривые вторичной поверхности теплоотвода измерены 2-1, 2-2.
2) Вторичная поверхность теплоотвода модуля покрыта теплоизоляционным материалом, а первичная поверхность теплоотвода запрессована на радиаторе через интерфейсные материалы А и Б. Радиатор продолжает пропускать воду для отвода тепла, а конструкция -функциональные кривые первичной поверхности теплоотвода измерены 3-1, 3-2.
Пути теплопроводности между переходом и корпусом идентичны для двух измерений с одной стороны, и различается только тепловое сопротивление между корпусом и стоком.Таким образом, две кривые структурной функции разделены на охлаждающей поверхности модуля, а перекрывающаяся часть представляет собой соответствующее тепловое сопротивление корпуса перехода.Соответствующее одностороннее тепловое сопротивление переход-корпус можно получить вышеуказанным методом.
На основе структурных характеристик и характеристик нагрева модуля X, посредством структурного проектирования, моделирования и оптимизации реализуется конструкция радиатора с высокой эффективностью теплообмена.При условии максимальной мощности нагрева устройства разница температур между верхней и нижней охлаждающими поверхностями находится в пределах 1°С, а разница температур воды на входе и выходе - в пределах 2°С.Общая конструкция приспособления для термических испытаний X-модуля показана на рисунке 3.
В соответствии с планом тепловых испытаний материала с двойным интерфейсом необходимо выбрать подходящий материал теплопроводности и теплоизоляции в качестве интерфейса для проведения двустороннего и одностороннего испытания термосопротивления модуля IGBT.Учитывая физико-химические свойства различных материалов, в качестве термоинтерфейсных материалов для испытания на термостойкость модуля Х было решено выбрать теплорассеивающую графитовую пленку и теплопроводящую силиконовую смазку.
Гибкий аэротел и полиуретановый полиуретановый клей были выбраны в качестве кандидатов на теплоизоляционные материалы для теплового испытания модуля X.Чтобы проверить фактические теплоизоляционные характеристики двух материалов, два материала используются для изоляции вторичной поверхности рассеивания тепла соответственно.В сравнительном тесте термического сопротивления основной поверхности рассеивания тепла используется однородная графитовая пленка из теплопроводящего материала.
Результаты сравнения показывают, что термическое сопротивление переход-кольцо и максимальная температура перехода, измеренные в адиабатических условиях, у полиуретанового ПУ-клея ниже, чем у аэрогеля.Это показывает, что при одинаковом моменте прижима теплоизоляционная способность Airtel лучше, чем у полиуретанового ПУ-клея.Поэтому в качестве теплоизоляционного материала для теплового испытания был выбран аэротел.
Условия сравнительного испытания силы запрессовки были разработаны для изучения влияния момента запрессовки на тепловое сопротивление соединительного корпуса модуля X.По мере увеличения момента запрессовки тепловое сопротивление соединительного кольца X-модуля IGBT и FRD уменьшается.Однако испытание на термическое сопротивление корпуса перехода не выявило существенных изменений.Это показывает, что для модулей IGBT с двусторонним отводом тепла различные моменты запрессовки влияют только на контактное тепловое сопротивление между устройством и радиатором и не влияют на испытание его теплового сопротивления корпуса перехода.
Модель теплового моделирования модуля X показана на рисунке 4.
В соответствии с методом двойного интерфейса материала проводится одностороннее испытание на термическое сопротивление первичной и вторичной поверхностей рассеивания тепла модуля X.Результаты испытаний показывают, что одностороннее термическое сопротивление верхней и нижней трубок, измеренное этим методом, имеет хорошую стабильность.
Отклонение между измеренными и смоделированными значениями двустороннего теплового сопротивления IGBT и FRD находится в пределах ±5%.Расхождение расчетного значения и ложного значения термического сопротивления первичной поверхности теплоотвода находится в пределах ±10%.Измеренное значение термического сопротивления поверхности вторичного охлаждения отклоняется от моделируемого значения примерно на 70%.
Поскольку абсолютного теплоизоляционного материала не существует, эффект термической связи двустороннего модуля охлаждения не может быть устранен.Что касается состояния теплоизоляции вторичной поверхности рассеивания тепла, большая часть тепла протекает через первичную поверхность рассеивания тепла без теплоизоляционного материала, образуя идеальное одностороннее рассеивание тепла, и отклонение испытательного значения незначительно.В адиабатическом состоянии первичной поверхности рассеивания тепла некоторое количество тепла будет проходить через первичную поверхность рассеивания тепла с теплоизоляционным материалом, и эффект связи является относительно значительным.Это приводит к большому расхождению между тестовыми и смоделированными значениями.
Для эффекта термической связи при термическом испытании вторичной поверхности рассеивания тепла метод коррекции заключается в устранении эффекта связи путем инвертирования термического сопротивления вторичной поверхности рассеивания тепла на основе измеренного термического сопротивления первичной поверхности рассеивания тепла и того и другого. стороны.Погрешность исправленного результата снижается до 25%.
На модуле X были проведены повторные испытания на запрессовку и термостойкость для проверки повторяемости метода тепловых испытаний автомобильного модуля IGBT с двусторонним рассеиванием тепла.Результаты показывают, что отклонение пяти результатов испытаний находится в пределах ± 2%, что указывает на то, что метод термических испытаний имеет хорошую повторяемость и обобщаемость.
На основе сравнительного исследования конструкции инструментов для тепловых испытаний, выбора материала интерфейса и методов запрессовки предложен метод термических испытаний материалов интерфейса с двойным рассеиванием тепла, подходящий для автомобильных модулей IGBT с двусторонним рассеиванием тепла.Этот метод позволяет проводить двусторонние и односторонние испытания на термическое сопротивление корпуса перехода.Для автомобильного модуля IGBT с двусторонним отводом тепла различные моменты затяжки в определенном диапазоне не влияют на испытание теплового сопротивления распределительного корпуса.Отклонение между измеренными и смоделированными значениями двустороннего термического сопротивления IGBT и FRD, полученными методом испытания двустороннего термического сопротивления, находится в пределах ±5%.Отклонение между измеренным и моделируемым значением одностороннего термического сопротивления находится в пределах ±10%.Это позволяет точно реализовать испытание на термическое сопротивление автомобильного IGBT с двусторонним рассеиванием тепла, и результаты имеют справочное значение.Эффект термической связи двустороннего модуля рассеивания тепла не может быть устранен, в результате чего измеренное и смоделированное тепловое сопротивление одной стороны невелико.Эффект связи можно уменьшить, а результаты испытаний можно скорректировать путем инвертирования термического сопротивления вторичной поверхности рассеивания тепла на основе измеренного термического сопротивления первичной поверхности рассеивания тепла и обеих сторон.Метод термических испытаний обладает хорошей повторяемостью и обобщаемостью.
Паярная тарелка Медная труба пластина Пламя сварки Сварная пластина трения