„Moores Gesetz“ hat die rasante Entwicklung der Halbleiterindustrie genau vorhergesagt, aber mit der rasanten Entwicklung der elektronischen Verpackungstechnologie und der Mikrobearbeitungstechnologie rücken Größe und Integration von Transistoren immer näher an die physikalischen Grenzen. Die Präzision der bestehenden Lithographietechnologie ist begrenzt, gepaart mit dem häufigen Auftreten von Problemen wie Leckage und Wärmeableitung wird das Mooresche Gesetz in Zukunft möglicherweise nicht mehr in der Lage sein, das Entwicklungstempo der Halbleiterindustrie genau zu bestimmen. Das Problem der Wärmeableitung, das immer stärker in den Vordergrund tritt, aber noch nicht vollständig gelöst wurde, hat in der Branche große Aufmerksamkeit erregt. Das Wärmemanagement hochintegrierter mechanischer und elektronischer Geräte ist zu einem Engpass für die kontinuierliche Entwicklung der Elektronikindustrie und sogar des gesamten Bereichs der mechanischen Fertigung und der elektronischen Steuerungstechnik geworden. Die Wärmeableitungsfähigkeit der herkömmlichen Luftkühlungstechnologie kann die Wärmeableitungsanforderungen elektronischer Geräte mit hohem Wärmefluss nicht mehr erfüllen. Gleichzeitig werden mit zunehmender Vielfalt an Typen und Anwendungsgebieten elektronischer Geräte auch die Betriebsbedingungen komplexer und die Arbeitsumgebung anspruchsvoller, was ein entsprechendes Wärmemanagementsystem erfordert, um unter unterschiedlichen Arbeitsbedingungen eine effiziente Wärmeableitung zu erreichen. Daher ist die Auswahl einer geeigneten Kühltechnologie und die rationelle Gestaltung eines Wärmemanagementsystems, das stabil, zuverlässig und flexibel ist, um sich an verschiedene Arbeitsszenarien anzupassen, zu einem der Hauptprobleme geworden, die im Bereich der Kühlung mit hohem Wärmefluss gelöst werden müssen.
IGBT ist ein neuartiges selbstabschaltendes Leistungshalbleitergerät, das die Vorteile einer geringen Antriebsleistung, einer einfachen Antriebsschaltung, eines geringen stationären Verlusts, einer hohen Eingangsimpedanz, einer starken Kurzschlussfestigkeit und Strombelastbarkeit bietet und häufig in Frequenzumrichtern, Traktionsantrieben, Wechselstrommotoren, Haushaltsgeräten und anderen Bereichen eingesetzt wird. Es ist ein Vertreter einer neuen Generation elektronischer Komponenten. Die Arbeitsleistung von IGBT wird stark von der Temperatur beeinflusst. Während des Arbeitsprozesses entsteht durch häufiges Abschalten eine große Wärmemenge. Sobald es nicht rechtzeitig abgeführt wird, steigt die Innentemperatur des Moduls, was zu Änderungen seiner physikalischen Halbleiterkonstanten und internen Parameter des Geräts führt. Dadurch werden Leistungsindikatoren wie Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand, Abschaltgeschwindigkeit, Spannungsspitze im Ausschaltzustand, Stromnachlaufzeit und -verlust schlechter, was schließlich dazu führt, dass das IGBT-Modul nicht mehr normal funktioniert und seine Lebensdauer verkürzt wird. Darüber hinaus führt der große Temperaturunterschied im Inneren des Moduls auch zu einer thermischen Belastung, die zu einem thermischen Durchgehen führt, was die Zuverlässigkeit des Moduls verringert. Daher muss das Wärmeableitungsproblem des IGBT-Moduls dringend gelöst werden. Für den Fall, dass die Luftkühlung die Wärmeableitungsanforderungen des Moduls nicht erfüllen kann, einphasig Wassergekühlte Kühlplatten sind zur gängigen Kühlmethode für das aktuelle Wärmeableitungssystem für IGBT-Module mit großer Leistung geworden. In den letzten Jahren hat sich jedoch der Prozess der Miniaturisierung und der hohen Leistung von IGBT beschleunigt. Aufgrund der zunehmenden Wärmebelastung des Moduls ist die einphasige wassergekühlte Kühlplatte nach und nach nicht mehr in der Lage, den schnell steigenden Wärmeableitungsbedarf und die erzwungene konvektive Wärmeübertragung des zirkulierenden Wassers im Inneren zu decken Bei der Kühlplatte besteht unvermeidlich ein Problem mit der Gleichmäßigkeit der niedrigen Temperatur. Aus diesem Grund begannen viele Wissenschaftler, sich auf die Wärmeübertragung beim Fließsieden zu konzentrieren. Die Mikrokanalströmungs-Siedewärmeübertragung hat die Vorteile einer starken Wärmeübertragungskapazität, eines hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, einer guten Temperaturgleichmäßigkeit und einer geringeren Arbeitsflüssigkeitsladung. Es ist eine ideale Wärmeableitungsmethode für die IGBT-Wärmeableitung. In den letzten Jahren hat die Strömungssiede-Wärmeübertragung in Mikrokanälen mit dem Fortschritt der Mikrobearbeitungstechnologie und der Reduzierung der Verarbeitungskosten von Mikrokanälen große Entwicklungsaussichten.
1. Struktur- und Wärmewiderstandsanalyse des IGBT-Moduls
Die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Produkte sind modulare IGBT-Produkte. Es handelt sich um ein modulares Halbleiterprodukt, das aus IGBT-Chips und FWD über eine spezielle Schaltungsbrücke besteht. Es zeichnet sich durch Energieeinsparung, bequeme Installation und Wartung sowie stabile Wärmeableitung aus. Das verpackte IGBT-Modul besteht hauptsächlich aus einem Chip, einer Kupferschaltungsschicht, einer isolierenden Keramikschicht, einer Kupferschicht und einem Substrat, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Die drei Teile Kupferschaltungsschicht, isolierende Keramikschicht und Kupferschicht spielen hauptsächlich die Rolle der Wärmeübertragung, Isolierung und des thermischen Spannungsabbaus. Im IGBT-Modul können mehrere IGBT-Chips untergebracht werden. Durch die Parallelschaltung mehrerer IGBT-Chips im Modul kann eine hohe Strombelastbarkeit erreicht werden, um das Problem einer Verringerung der Ausbeute an IGBT-Chips bei gleichzeitiger Vergrößerung der aktiven Fläche zu vermeiden. Verglichen mit Einzelchipmodulen haben verpackte Module mit mehreren IGBT-Chips im Inneren eine komplexere Struktur und höhere Anforderungen an das Wärmemanagement. Das IGBT-Modul ist ein Leistungsgerät mit hohem Heizwert und seine Leistung wird stark von der Temperatur beeinflusst. Im tatsächlichen Betrieb muss die Sperrschichttemperatur innerhalb eines angemessenen Bereichs kontrolliert werden, um einen normalen Betrieb sicherzustellen. Eine zu hohe Betriebstemperatur verändert die physikalischen Halbleiterkonstanten und die internen Parameter des Geräts, was dazu führt, dass das IGBT-Modul nicht mehr normal funktioniert. In schweren Fällen beeinträchtigt es sogar das Berufsleben. Wenn die Sperrschichttemperatur des IGBT-Chips 125 °C überschreitet, sinkt im Allgemeinen seine Leistung stark und sogar der IGBT wird beschädigt. Darüber hinaus kann die thermische Belastung im IGBT-Modul aufgrund des großen Temperaturunterschieds zwischen den internen Chips zu einem thermischen Durchgehen führen und die Zuverlässigkeit des Moduls verringern. Daher muss das Wärmemanagement des Verpackungsmoduls nicht nur sicherstellen, dass die Temperatur jedes Chips den Nennwert nicht überschreitet, sondern muss auch besonders auf die Temperaturunterschiede der Chips an verschiedenen Positionen achten.
Als selbstabschaltendes Leistungshalbleitergerät weist das IGBT-Modul einen bestimmten Leistungsverlust bei der Leitungsarbeit und dem Ein-/Ausschaltvorgang auf, der üblicherweise als Einschaltverlust und Schaltverlust bezeichnet wird. Der Durchlassverlust hängt normalerweise von der effektiven Spannung und dem effektiven Strom während des Leitungsprozesses ab, während der Schaltverlust hauptsächlich von den Schalteigenschaften und der Schaltfrequenz des IGBT-Geräts abhängt. Das Vorhandensein von Einschaltverlusten und Schaltverlusten ist der wichtigste Faktor, der zum Erwärmungsproblem des IGBT-Moduls führt. Gleichzeitig wirkt sich die Temperaturänderung im Inneren des Moduls aufgrund der Erwärmung auch auf den Einschaltverlust und den Schaltverlust aus, was sich auf die Arbeitsleistung des Moduls auswirkt. Der Übertragungsweg der durch Verlustleistung innerhalb des IGBT erzeugten Wärme hängt von seiner Gehäusezusammensetzung ab, d. h. Chip→Chip-Lötschicht→Kupferschaltungsschicht→Keramikschicht→Kupferschicht→Systemlötschicht→Substrat→Kühler.
2. IGBT Kühltechnologie -
Zu den IGBT-Kühlmethoden, die derzeit auf dem Markt weit verbreitet sind, gehören die Luftkühlungstechnologie, die Wärmerohrkühlung und die Umlaufwasserkühlungstechnologie. Die in IGBTs üblicherweise verwendete Wärmeableitungstechnologie und der anwendbare Wärmeflussbereich der Kühltechnologie, die ein heißes Forschungsthema im Bereich des IGBT-Wärmemanagements darstellt, werden wie in Abbildung 2 dargestellt zusammengefasst.
Die Luftkühlungstechnologie nutzt die Luftkonvektionswärmeübertragung, um Wärme abzuleiten und so den Zweck der Wärmeableitung zu erreichen. Diese kann in passive Luftkühlung durch natürliche Konvektion und aktive Luftkühlung durch erzwungene Konvektion unterteilt werden. Die Luftkühlung durch natürliche Konvektion ist hauptsächlich auf den Dichteunterschied zurückzuführen, der durch den Temperaturunterschied der Luft an verschiedenen Orten verursacht wird. Der erzeugte Auftrieb ist die treibende Kraft, die die Umgebungsluft dazu antreibt, Wärme abzuführen. Der Kühler dieser Kühlmethode hat einen einfachen Aufbau und ist leicht zu warten. Er wurde in der Anfangszeit häufig verwendet. Allerdings ist seine Wärmeübertragungsfähigkeit schlecht, so dass es nur zum Kühlen von Geräten mit geringer Leistung, niedrigem Heizwert und einem Wärmefluss von nicht mehr als 0,08 W/cm 2 verwendet werden kann. Mit der Integration von IGBT-Leistungsgeräten und der Entwicklung von Hochleistungsgeräten steigt der Bedarf an Kühlung von Tag zu Tag. Um die Anforderungen an die Wärmeableitung zu erfüllen und die Effizienz des Wärmeaustauschs zu verbessern, ist am IGBT-Gerät ein Lüfter oder Lüfter installiert, um die erzwungene Luftkonvektion zu fördern. Der Wärmewiderstand der Luftkühlung mit erzwungener Konvektion kann auf 1/5 bis 1/15 desjenigen der Luftkühlung mit natürlicher Konvektion reduziert werden, und die Wärmeableitungskapazität wird erheblich erhöht. Aufgrund der Hinzufügung von Lüftern/Ventilatoren und anderen Geräten ist es jedoch erforderlich, den Luftkanal angemessen zu gestalten und eine regelmäßige Wartung durchzuführen, was die Zuverlässigkeit des Systems und der Geräteintegration verringert und mit relativ großen Geräuschen während des Betriebs einhergeht.
Um die Kühleffizienz der Luftkühlungstechnologie zu verbessern, wird normalerweise ein Kühler auf dem IGBT-Modul installiert, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, und der übliche Kühler ist ein Rippenkühler. Die Wärmeableitungseffizienz des luftgekühlten Kühlers wird von der Rippenstruktur, der Größe, dem Anordnungsdesign, der Lüfterposition und -geschwindigkeit sowie der Umgebungstemperatur beeinflusst. Nach vielen Untersuchungen und Optimierungen ist der luftgekühlte Kühlkörper, insbesondere der Kühlkörper mit parallelen Aluminiumlamellen, aufgrund seines einfachen Designs und ausgereiften Herstellungsprozesses der am häufigsten verwendete Kühlkörper in der aktuellen IGBT-Kühlung. Aufgrund der Probleme eines kleinen spezifischen Luftvolumens und einer geringen Wärmeleitfähigkeit verfügt jedoch selbst die Luftkühlung mit erzwungener Konvektion über eine begrenzte Wärmeableitungskapazität. Es kann den Wärmeableitungsanforderungen der aktuellen integrierten IGBT-Module mit hoher Wärmeflussdichte und schnellem sofortigen Temperaturanstieg nicht gerecht werden. Darüber hinaus schränken Probleme wie Temperaturungleichmäßigkeit, Lärm und Systemzuverlässigkeit die Weiterentwicklung der Luftkühlungstechnologie erheblich ein.
Um die Leistung luftgekühlter Heizkörper zu optimieren, werden häufig Wärmerohre darüber angebracht. Die Heatpipe-Kühltechnologie für die IGBT-Wärmeableitung ist auf der Grundlage der Luftkühlung optimiert. Die typische Heatpipe-Kühlerstruktur ist in Abbildung 3 dargestellt.
Wärmerohre bieten den Vorteil einer geringen Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung, einer geringen Größe und erfordern keine mechanische Wartung. Im Allgemeinen wird das Wärmerohr nicht allein als Kühler verwendet, sondern normalerweise in die Rippen des luftgekühlten Kühlers eingebettet und nutzt seine effiziente Phasenwechsel-Wärmeübertragung, um die Wärme schnell vom IGBT-Modulsubstrat an die Luft zu übertragen und so den Zweck der Wärmeableitung zu erreichen.
Im Vergleich zur Luftkühlungstechnologie mit erzwungener Konvektion verbessert die Einführung des Wärmerohrs die Leistung des Kühlers erheblich. Der Heatpipe-Kühler zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und ein geringes Risiko des Austretens von Arbeitsflüssigkeit aus. Daher verfügt es über eine gewisse Anwendungsgrundlage im aktuellen IGBT-Wärmemanagementmarkt. Allerdings müssen die meisten Heatpipe-Heizkörper, wie auch luftgekühlte Kühler, mit externen Lüftern/Ventilatoren zusammenarbeiten, um eine höhere Wärmeableitungseffizienz zu erreichen. Die Arbeitseffizienz des Heatpipe-Kühlers wird auch durch den Lüftertyp, die Windgeschwindigkeit, die Umgebungstemperatur usw. beeinflusst und es treten Probleme wie regelmäßige Wartung und Lärm während des Betriebs auf. Darüber hinaus erhöht sich nach dem Hinzufügen der Wärmerohrstruktur die Gesamtgröße des Kühlers. Beispielsweise eignet sich ein zylindrischer Heatpipe-Kühler in Kombination mit Rippen normalerweise nur für Wärmeableitungsszenarien mit großem Platzbedarf, was der Verbesserung der Kompaktheit und Integration von IGBT-Modulen nicht förderlich ist.
Wenn die Leistungsdichte des IGBT-Moduls zunimmt und das Luftkanaldesign, die Zuverlässigkeit, der Geräuschindex und andere Bedingungen begrenzt sind, ist es relativ schwierig, die Luftkühlungstechnologie und die Heatpipe-Kühltechnologie zu implementieren. Es kann die Betriebs- und Wärmeableitungsanforderungen des Geräts nicht gut erfüllen. Infolgedessen kam die Wasserkühlungstechnologie auf die Bühne. Wasser hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine große spezifische Wärmekapazität und ist nahezu umweltfreundlich. Im Vergleich zur luftgekühlten Wärmeableitung führt die Verwendung von wassergekühlten Heizkörpern (oder wassergekühlten Platten) zu einer höheren Wärmeableitungseffizienz, einem kleineren Volumen und einer einfacheren Auslegung des Wärmeableitungssystems. Es eignet sich besser für Kühlsysteme von IGBT-Modulen mit größerer Leistung. Daher ist die Umlaufwasserkühlung zur gängigen Kühlmethode für das Kühlsystem größerer IGBT-Module geworden. Der Umlaufwasserkühlkühler kann je nach Verpackungsform zwischen Kühler und IGBT-Modul in die folgenden zwei Typen unterteilt werden. Eine davon ist ein separater Kühlkörper, der durch die Kombination des IGBT-Moduls und der wassergekühlten Platte als zwei unabhängige Komponenten entsteht. Nutzen Sie die Wasserzirkulation in der Kühlplatte, um die Wärme vom IGBT-Modul abzuführen. Der separate wassergekühlte IGBT-Kühler ist einfach zu installieren, verursacht aber auch einen thermischen Kontaktwiderstand an der Kontaktfläche zwischen dem IGBT-Modul und der Kühlplatte. Darüber hinaus ist der Einfluss des thermischen Kontaktwiderstands auf die Leistung des Kühlkörpers umso größer, je größer die IGBT-Wärmeentwicklung ist. Daher ist es in praktischen Anwendungen erforderlich, wärmeleitendes Silikonfett auf die Kontaktfläche aufzutragen, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern. Die andere besteht darin, den IGBT direkt auf dem gerippten wassergekühlten Plattensubstrat zu verpacken. Dieser Kühlkörper eliminiert den Kontaktwärmewiderstand zwischen dem Substrat und der Kühlplatte und bietet eine höhere Wärmeableitungsleistung. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Wärmewiderstand dieser integrierten Form von Modul und Kühlkörper um 33 % geringer ist als der des getrennten Kühlkörpers. Diese Art von Kühler bringt jedoch Unannehmlichkeiten bei der Demontage und Montage mit sich und erhöht außerdem das Risiko, dass die Kühlflüssigkeit mit den internen Chips und Leiterplatten in Kontakt kommt, sodass die Anforderungen an die elektrische Isolierung des Kühlwassers strenger sind. Gegenwärtig ist die Anwendung der Umlaufwasserkühlungstechnologie in IGBT relativ ausgereift, und Wissenschaftler haben umfangreiche Untersuchungen zur Optimierung von Wasserkühlungssystemen und Strukturdesigns durchgeführt.
Obwohl die Technologie zur Kühlung mit zirkulierendem Wasser viele Vorteile bietet, kann das Problem der Gleichmäßigkeit der niedrigen Temperaturen nicht ignoriert werden. Insbesondere bei IGBT-Chips steigt die Leistungsumwandlungseffizienz mit der Abnahme der Sperrschichttemperatur des IGBT-Chips. Eine schlechte Temperaturgleichmäßigkeit führt zu unterschiedlichen Übergangstemperaturen zwischen IGBT-Chips an verschiedenen Positionen, wodurch jeder IGBT-Chip unterschiedliche Leistungsumwandlungseffizienzen aufweist, was zu unterschiedlichen Leistungsausgängen führt. Dies wirkt sich sehr nachteilig auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit des Moduls aus und führt in schweren Fällen sogar zu einem thermischen Durchgehen und zu Schäden am Gerät. Angesichts der zunehmenden Wärmebelastung wird die einphasige Kühlleistung des herkömmlichen Kühlplatten-Umwälzwassers durch die relative Position von Einlass und Auslass erheblich beeinträchtigt. Die Kühlleistung wird in der Nähe des Auslasses stark reduziert und die Temperaturungleichmäßigkeit wird stärker ausgeprägt sein.
Um dieses Problem zu lindern, verwendet die herkömmliche einphasige Kühlung mit zirkulierendem Wasser normalerweise die Methode, die Pumpenarbeit zu erhöhen. Erhöhen Sie den Wassermassenstrom im Kühlsystem, aber diese Methode erhöht den Stromverbrauch und der Effekt ist nicht ideal. Daher ist es dringend erforderlich, eine neue Kühltechnologie mit hervorragender Wärmeableitungsleistung und guter Temperaturgleichmäßigkeit zu entwickeln.
Die Sprühkühlungstechnologie ist eine sehr effiziente neue Flüssigkeitskühlungstechnologie. Mithilfe einer Düse zerstäubt es die Kühlflüssigkeit in eine Gruppe von Mikrotröpfchen und trifft dann heftig auf die Oberfläche der Wärmequelle, um auf der Oberfläche einen dünnen Film aus Kühlflüssigkeit zu bilden. Durch die Strömung des Flüssigkeitsfilms, die Verdunstung sowie die Bildung, das Wachstum und die Ablösung der Blasen im Flüssigkeitsfilm wird der schnelle Wärmeableitungseffekt erreicht. Die Sprühkühlung verfügt über eine starke Wärmeübertragungskapazität, eine gute Temperaturgleichmäßigkeit der Wärmeübertragungsoberfläche und einen geringen Bedarf an Arbeitsflüssigkeit, was eine effektive Kühlmethode mit hohem Wärmefluss darstellt. Seit das Konzept der Sprühkühlung in den 1980er Jahren vorgeschlagen wurde, haben in- und ausländische Wissenschaftler zahlreiche Forschungsarbeiten in Theorie und Experiment durchgeführt.
Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Sprühkühlungstechnologie eine hohe Wärmeableitungseffizienz aufweist und gute Entwicklungsaussichten im Bereich der Wärmeableitung mit hohem Wärmefluss hat. Aufgrund der Komplexität des Sprühkühlungsprozesses und des Zusammenwirkens vieler Einflussfaktoren ist es jedoch schwierig, das mathematische Modell zu lösen, was sowohl der theoretischen Analyse als auch der experimentellen Forschung große Schwierigkeiten bereitet. Derzeit erfolgt die Forschung zur Sprühkühlung hauptsächlich durch eine Kombination aus Modellforschung, numerischer Simulation und experimenteller Forschung. Bisher konnten keine eindeutigen Schlussfolgerungen über den Wärmeübertragungsmechanismus und die Einflussfaktoren der Sprühkühlung gezogen werden. Darüber hinaus ist die Konstruktion der Sprühkühlvorrichtung schwierig, einschließlich der Struktur der Düse, des Abstands zwischen der Düse und der Oberfläche, des Neigungswinkels und der Sprühdurchflussrate. Es ist eine große Anzahl von Parameterunterstützungen erforderlich, was große Herausforderungen an das Design und die Förderung von Kühlkörpern mit sich bringt, was wiederum deren Expansion und Anwendung auf dem Wärmemanagementmarkt einschränkt.
Die Strahlaufprallkühlung ist eine Kühlmethode, bei der das Kühlmittel unter dem Druckunterschied der Düse mit hoher Geschwindigkeit direkt auf die Oberfläche der Wärmequelle trifft, um einen effizienten Wärmeaustausch zu erreichen. Das typische Strahlaufprallströmungsfeld ist in drei Bereiche unterteilt: Freistrahlbereich, Staupunktbereich und Wandstrahlbereich. Unter diesen ist der Staupunktbereich der Hauptwirkungsbereich der Strahlkühlung, und das Fluid bildet im Staupunktbereich eine sehr dünne Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschicht. Der Temperaturgradient, der Axialgeschwindigkeitsgradient und der Druckgradient in der Grenzschicht sind sehr groß, so dass sich die Parameter drastisch ändern, was zu hohen lokalen Wärmeübergangskoeffizienten führt.
Aufgrund der Komplexität der Strömungsfeldstruktur der Strahlkühlung ist es normalerweise unmöglich, allein durch theoretische Analyse genaue quantitative Schlussfolgerungen zu den Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften zu erhalten. Gegenwärtig wird im Allgemeinen eine Kombination aus Formelableitung, numerischer Simulation und experimenteller Forschung verwendet, um relativ genaue quantitative Schlussfolgerungen zu erhalten.
Aufgrund der begrenzten Reichweite des Einlochstrahlaufpralls kann es leicht zu einer geringen Temperaturgleichmäßigkeit auf der Oberfläche der Wärmequelle kommen, was bei großflächigen Wärmequellen sehr ungünstig ist. Um dieses Problem zu lösen, werden üblicherweise Strahlanordnungen mit mehreren Düsen eingesetzt. Abbildung 4 zeigt ein verteiltes Rückflussstrahl-Array-Gerät, das die Temperaturgleichmäßigkeit der Ausrüstung erheblich verbessern kann.
Vorhandene Forschungsergebnisse zeigen, dass die Wärmeableitungsfähigkeit der Jet-Array-Kühlung hervorragend ist. Insbesondere bei der Reduzierung lokaler Hotspots und der Erhöhung der Gesamttemperaturgleichmäßigkeit großflächiger Geräte. Es ähnelt jedoch der Sprühkühlung, der Wärmeübertragungsmechanismus und die Strömungsfeldeigenschaften sind äußerst komplex und das Design ist schwierig. Darüber hinaus wirkt sich die Aufprallkraft der Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit möglicherweise zerstörerisch auf die Oberfläche des IGBT-Moduls aus, wenn die Jet-Prall-Kühlvorrichtung über einen längeren Zeitraum arbeitet, was die großflächige Anwendung der Jet-Prall-Kühltechnologie in der Kühlindustrie für elektronische Geräte einschränkt.
3. Zusammenfassen
Mit der Zunahme der Wärmebelastung von IGBT-Modulen in den letzten Jahren ist die Luftkühlungsmethode zunehmend nicht mehr in der Lage, den schnell wachsenden Bedarf an Wärmeableitung zu decken. Obwohl Die Wärmerohrkühlungstechnologie und die Umlaufwasserkühlungstechnologie haben die Wärmeableitungskapazität verbessert, sie haben jedoch in Zukunft keine offensichtlichen Vorteile im Bereich des hohen Wärmeflusses. IGBTs benötigen dringend fortschrittliche Wärmemanagementtechniken. Obwohl die Sprühkühlungstechnologie und die Strahlaufprallkühlungstechnologie eine hohe Wärmeableitungskapazität erreichen können. Ihr Wärmeübertragungsmechanismus ist jedoch komplex, und eine relativ einheitliche Wärmeübertragungstheorie und ein einheitliches Wärmeübertragungsgesetz konnten noch nicht ermittelt werden. Darüber hinaus ist die Düsenkonstruktion schwierig, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sie in kurzer Zeit auf den Markt kommen. Im Gegensatz dazu bietet die Mikrokanal-Kühltechnologie die Vorteile einer kompakten Struktur, einer starken Wärmeübertragungskapazität, eines hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, einer geringeren Arbeitsflüssigkeitsladung und einer guten Temperaturgleichmäßigkeit. Im Vergleich zu Strahlkühlungs- und Sprühkühlungsstrahlern lassen sich Mikrokanalstrahler leichter weiter verbreiten und anwenden und bieten große Entwicklungsaussichten im Bereich des Wärmemanagements elektronischer Geräte.
