En electrónica de potencia, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es uno de los semiconductores más utilizados. Los IGBT modernos están fabricados con carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) para una mejor producción y eficiencia térmica.
Si bien los IGBT son útiles para el suministro y la conversión de energía, también pueden generar mucho calor cuando se conmutan a altas frecuencias.
La refrigeración de los dispositivos IGBT es una preocupación importante para los ingenieros de energía eléctrica.
Desarrollo de IGBT
El IGBT es un interruptor más potente que funciona controlando el voltaje de una parte semiconductora para generar un circuito eléctrico. Se introdujo por primera vez en la década de 1980 y se mejoró con la invención del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET).
El IGBT es inusual porque elimina la función del tiristor, lo que resulta en un dispositivo más eficiente. Los inversores, los motores y los sistemas de energía para turbinas solares y eólicas avanzadas se fabrican con IGBT.
Gestión térmica de IGBT
La producción, conversión, transmisión y distribución de energía eléctrica requieren el uso de equipos electrónicos de potencia. Se están implementando tecnologías energéticas para aumentar la eficiencia, la confiabilidad y el control de la energía. Algunos expertos creen que toda la energía eléctrica viajará a través de un dispositivo semiconductor de potencia en algún momento del futuro.
Los IGBT son dispositivos de alto voltaje y alta potencia que se están volviendo cada vez más populares. Un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un interruptor de estado sólido que permite que la electricidad fluya cuando se enciende y se apaga.
Un IGBT funciona entregando voltaje a un componente semiconductor, cambiando sus propiedades y permitiéndole bloquear o producir una ruta eléctrica.
Para aplicaciones de frecuencia moderada (5-50 kHz) y alto voltaje (200-2000 V), un IGBT combina una entrada de puerta aislada con una salida bipolar para producir un interruptor de alimentación confiable.
Los módulos IGBT grandes a menudo incluyen múltiples dispositivos conectados en paralelo y pueden manejar cientos de amperios de corriente con voltajes de bloqueo de hasta 6500 V. Estos IGBT pueden controlar cientos de kilovatios de potencia.
Los IGBT se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de alta potencia, incluidos vehículos eléctricos e híbridos, cargadores de baterías, autobuses eléctricos, motores de electrodomésticos, interruptores y fuentes de alimentación, convertidores de control de voltaje, controles de motores, inversores de energía solar y eólica, gestión térmica y dispositivos de diagnóstico médico.
El control térmico de los IGBT puede verse favorecido por una variedad de soluciones de refrigeración. Cada elección viene con su propio conjunto de beneficios.
Refrigeración por aire
Para sistemas de bajo consumo, los disipadores de calor enfriados por aire también pueden ser una opción rápida y rentable. Para absorber el calor y los picos, algunos diseños industriales emplean un disipador de calor con una gran masa y capacitancia térmica.
Los disipadores de calor enfriados por aire tienen más dificultades para manejar mayores temperaturas y picos térmicos en equipos electrónicos de alta potencia debido a la capacidad de transporte de calor del aire y las altas temperaturas de funcionamiento acústicas normales. Como resultado, la refrigeración por aire solo es económica para equipos de baja y media potencia.
Refrigeración líquida directa
En los IGBT, la refrigeración líquida directa mejora las características de transferencia de calor y reduce la resistencia térmica, lo que disminuye las temperaturas de las uniones y mejora las capacidades de energía.
La refrigeración líquida también permite a los diseñadores producir mayor potencia por volumen, mejorando el rendimiento y la eficiencia. Anteriormente, la refrigeración líquida directa se lograba estampando grandes placas frías de tubos de cobre sobre bloques de aluminio usando epoxi térmicamente conductor.
Otros diseños incorporan tuberías de cobre que han sido mecanizadas para aumentar la eficiencia. Se implanta un disipador de calor con aletas en un sustrato DBC, que posteriormente se fija a un depósito de fluido, lo que permite que el refrigerante circule sobre las aletas para lograr un efecto de enfriamiento.
Refrigeración líquida de microcanales
Un innovador concepto de refrigeración líquida de microcanales logra la menor resistencia térmica posible para dispositivos de alta potencia.
En comparación con los sistemas de refrigeración líquida anteriores, la refrigeración líquida de microcanales integrada puede reducir la resistencia térmica de un IGBT entre 10 y 100 veces al reducir la masa térmica del refrigerante en los minicanales de flujo.
Esto mejora considerablemente las tasas de transferencia térmica y las temperaturas de funcionamiento de los diseños de sistemas IGBT. Al mejorar la física térmica de los microcanales, Las placas frías de microcanales Winshare Thermalloy aumentan el rendimiento.
Nuestros diseños de rejilla de microcanales se pueden ajustar para que coincidan con las características de los módulos IGBT y pueden proporcionar a la electrónica de potencia un control térmico consistente e inigualable.
Aplicación IGBT en electrónica de potencia
Los IGBT han ganado popularidad en aplicaciones de electrónica de potencia durante las últimas décadas. Los IGBT proporcionan energía a una variedad de dispositivos y sistemas.
Inversores
Debido a su excelente control de puerta y capacidad para transportar corrientes más importantes, los IGBT son perfectos para inversores. Las opciones de refrigeración avanzadas en los módulos IGBT permiten una transición más exitosa de la alimentación de CC a CA.
Convertidores
Los convertidores de voltaje funcionan mediante transistores bipolares acoplados inductivamente (IGBT). En el diseño de la fuente de alimentación, los convertidores desempeñan un papel crucial.
Fuentes de alimentación
Los IGBT se pueden utilizar con dos fuentes de alimentación diferentes:
● Fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)
● Sistema de alimentación ininterrumpida (UPS)
Fuente de alimentación de modo conmutado
Los IGBT pueden ayudar con aplicaciones de alta corriente, mientras que un convertidor de conmutación se utiliza para convertir la salida de voltaje en un SMPS.
Suministro de energía ininterrumpida
Un IGBT puede ayudar a un UPS a entregar energía uniforme y constante una vez que falla un sistema eléctrico.
Aplicaciones de energía renovable
Las soluciones de energía renovable se están integrando en los planes estratégicos de un número creciente de organizaciones comerciales, industriales y municipales. El uso de la tecnología de microcanales para optimizar la refrigeración líquida IGBT puede ayudar a los clientes a crear energía más sostenible a un costo reducido.
Inversores solares
Los inversores solares toman la electricidad de CC generada por los paneles solares y la convierten en energía de CA que los consumidores pueden utilizar. El IGBT es un componente crucial para permitir que las personas accedan a una energía más inteligente y limpia, y debe controlarse térmicamente para que funcione correctamente.
Receptores Fotovoltaicos Concentrados (CPV)
Se utilizan cientos de reflectores de espejo en la concentración de energía fotovoltaica (CPV) para dirigir la energía solar a un receptor central. ¡La potencia resultante genera un flujo de calor cerca de la superficie del sol!
Para garantizar un funcionamiento constante, el receptor CPV, un componente vital del sistema, debe enfriarse mediante métodos altamente eficientes, como la refrigeración líquida por microcanales.
Bombas de calor asistidas por energía solar
Para ahorrar dinero en calefacción, una bomba de calor asistida por energía solar combina una bomba de calor normal con entrada fotovoltaica.
Las placas frías de microcanales para módulos de potencia IGBT pueden aumentar la eficiencia energética y al mismo tiempo reducir el costo total de propiedad del sistema.
Conclusión
Los IGBT generan mucho calor y pueden resultar dañados por una cantidad excesiva. Debido a las enormes proporciones necesarias para controlar los enormes volúmenes de calor, el uso de soluciones de refrigeración por aire, como disipadores de calor, para los IGBT de disipación de alta potencia puede resultar impracticable.
La refrigeración líquida tiene coeficientes de transferencia de calor muchos órdenes de magnitud mayores que la refrigeración por convección, lo que permite densidades de potencia sustancialmente mayores y soluciones de módulos e inversores más compactas. Si bien a veces se resiste a la refrigeración líquida en el negocio de la electrónica de potencia, es necesaria para cumplir con muchos de los requisitos actuales de gestión térmica de los IGBT.
La refrigeración líquida para motores de combustión interna se ha utilizado en la industria del automóvil durante más de un siglo, y actualmente la idea de utilizar refrigeración líquida para la electrónica de potencia en una aplicación automotriz no se considera un problema. Los métodos de refrigeración líquida para IGBT incluyen placas frías, tubos de calor, turbuladores y circuitos de refrigeración por vapor.
Winshare Thermalloy crea soluciones únicas de refrigeración líquida de microcanales IGBT para ayudarle a aumentar el rendimiento energético, la eficiencia, la seguridad y la confiabilidad de su sistema electrónico de potencia.
