Мощная электроника лежит в основе таких приложений, как электромобили, ветряные турбины, высокоскоростные железные дороги и электрические сети. В настоящее время мощные электронные устройства развиваются в направлении высокого уровня мощности и высокой интеграции. Поэтому неизбежно возникает проблема отвода тепла. Тепло, выделяемое мощными полупроводниковыми приборами, приведет к повышению температуры чипа. Без надлежащих мер по отводу тепла рабочая температура чипа превысит максимально допустимую температуру. Это приведет к ухудшению или даже повреждению работоспособности устройства. Исследования показали, что при повышении температуры полупроводникового чипа на каждые 10°C надежность чипа снижается вдвое. Чем выше рабочая температура устройства, тем короче срок его службы. Снижение температуры устройства — эффективный способ продлить его жизненный цикл. На этом этапе было проведено множество исследований по тепловому проектированию и оптимизации теплоотвода различных электронных устройств и оборудования.
Влияние температуры на срок службы электронных устройств в основном отражается в двух аспектах. Один из них — термический отказ чипа, а другой — повреждение под напряжением. Безопасная рабочая температура обычных кремниевых чипов обычно составляет - 40 ~ 50 ℃, и устройство может нормально работать в безопасном диапазоне рабочих температур. Когда температура перехода превышает безопасную рабочую температуру, это приведет к термическому отказу чипа. Максимально допустимая температура перехода кремниевых чипов обычно составляет 175°C. С другой стороны, из-за разницы коэффициентов расширения каждого материала в устройстве чрезмерно высокая температура перехода вызовет увеличение термического напряжения в чипе. Это, в свою очередь, вызывает механические повреждения, такие как изгиб припоя в чипе и выпадение соединительного провода. Некоторые ученые в своих исследованиях отметили, что для перевернутых чипов на выводных рамках из-за большой разницы в коэффициенте теплового расширения между медной выводной рамкой и кремниевым чипом в корпусе термическое напряжение под действием тепловой нагрузки приведет к повреждению поверхностной структуры чипа, соединенного с паяными соединениями. . Некоторые ученые также отметили в статье, что остаточное напряжение, создаваемое традиционной технологией пайки оплавлением, используемой в корпусах полупроводниковых устройств, будет еще больше усугубляться при высокой температуре. Со временем это приведет к хрупкому разрушению чипа и слоя припоя подложки. Кроме того, слишком высокая температура перехода также может вызвать термический пробой чипа или даже термическое плавление чипа. Эти неисправности являются неустранимыми, поэтому повреждение устройства из-за высокой температуры является фатальным.
Параметры самого электронного устройства очень чувствительны к изменению температуры. Его сопротивление во включенном состоянии, прямое падение напряжения, пороговое напряжение, ток проводимости и другие параметры изменяются с изменением температуры. Например, сопротивление силового МОП-транзистора в открытом состоянии увеличивается примерно линейно с увеличением температуры перехода. Следовательно, гомоморфные потери устройства также будут увеличиваться, в результате чего устройство будет выделять больше тепла. Это еще больше увеличивает температуру перехода, создавая порочный круг. Для IGBT соответствующие исследования показали, что время задержки выключения будет увеличиваться с увеличением температуры рабочего перехода устройства. Разумное использование тепловых параметров можно использовать в качестве параметра, характеризующего температуру перехода устройства. Потеря контроля над тепловыми параметрами может привести к серьезному повреждению устройства, а ущерб, вызванный тепловыми параметрами, имеет тенденцию ухудшаться с увеличением температуры.
Являясь основными компонентами силового электронного оборудования, силовые электронные устройства неизбежно будут генерировать различные потери во время работы, включая потери проводимости и потери переключения. Если тепло, выделяемое устройством, не будет вовремя рассеиваться в окружающую среду, высокая рабочая температура серьезно повлияет на нормальную работу устройства и его надежную работу. С развитием технологий силовой электроники оборудование развивается в направлении миниатюризации и компактности. Это делает характеристики концентрации тепла и малой площади рассеивания тепла силовых электронных устройств все более заметными, что приводит к постоянному увеличению поверхностной плотности теплового потока устройств. В приложениях с высокой мощностью необходима установка дополнительных радиаторов для достижения надежной работы оборудования. Кроме того, с применением новых материалов, таких как SiC, в силовых электронных устройствах из-за уменьшения размера кристалла локальная плотность теплового потока выше, а требования к отводу тепла выше.
С быстрым развитием силовой электронной техники сценарии применения постоянно расширяются и усложняются. Оборудование обычно сталкивается с различными внешними средами, такими как высокая температура, высокая влажность, высокое содержание соли, вибрация и даже вакуум. При этом устройство и его компоненты подвергаются различным испытаниям. При этом к системе теплоотвода оборудования предъявляются повышенные требования. Поэтому необходимо учитывать влияние различных параметров окружающей среды на тепловой расчет устройства. Некоторые ученые проанализировали потребности в развитии технологий силовой электроники при экстремальных температурах, отметив, что экстремально высокие и низкие температуры в аэрокосмической и других областях неизбежны для устройств силовой электроники. Поэтому исследование производительности устройств в экстремальных условиях очень важно. Некоторые ученые рассмотрели характеристики высокой температуры и высокой влажности в среде угольной шахты и проанализировали характеристики повышения температуры преобразователя мощности шахтного двигателя во влажной среде. Путем моделирования и экспериментальных исследований установлено, что при одинаковой температуре окружающей среды максимальное повышение температуры силового преобразователя уменьшается с увеличением относительной влажности окружающей среды. Это имеет предварительное представление о законе нагрева во влажной среде. Из-за сложности среды применения при проектировании силовой электронной аппаратуры необходимо учитывать не только влияние окружающей среды на внутренние компоненты, но и особенности теплового расчета оборудования. В соответствии с различными характеристиками окружающей среды оптимизируйте метод отвода тепла. Кроме того, необходимо также учитывать влияние окружающей среды на систему отвода тепла для повышения эффективности и надежности системы отвода тепла.
Тепловой расчет силовой электроники включает в себя больше, чем просто область теплопередачи. Как показано на рисунке 1, при анализе пути теплопередачи типичных силовых электронных устройств с использованием метода термоэлектрического моделирования для достижения хорошего эффекта рассеивания тепла и учета требований к надежности, легкому весу и миниатюризации оборудования необходимо всесторонне учитывать температурное поле и поле напряжений, связанное с полем потока. Из приведенного выше анализа видно, что тепловое проектирование силового электронного оборудования представляет собой исследование, охватывающее многие дисциплины, такие как механика, электроника, теплообмен и механика жидкости. Поэтому необходимо рассмотреть конструкцию механо-электро-тепловой интеграции силовых электронных устройств и сосредоточиться на сочетании электро-термо-механических мультифизических полей силовых электронных устройств.
Процесс теплопередачи в силовых электронных устройствах включает три пути: теплопроводность, теплоконвекцию и тепловое излучение. Основными методами теплопередачи являются теплопроводность от чипа к радиатору и конвекция тепла от радиатора в окружающую среду. Проектирование рассеивания тепла в силовом электронном оборудовании в основном начинается с этих двух аспектов. Общие методы отвода тепла можно разделить на активный отвод тепла, пассивный отвод тепла и термоэлектрическое охлаждение в зависимости от способа отвода тепла от радиатора. Пассивное рассеивание тепла в основном включает в себя обычную естественную конвекцию, непрямой контакт газ-жидкость, охлаждение с фазовым переходом твердое тело-жидкость, а также погружное жидкостное охлаждение с прямым контактом и охлаждение с фазовым переходом. Активное охлаждение в основном включает в себя обычное принудительное воздушное охлаждение и принудительное жидкостное охлаждение. Чтобы в полной мере использовать теплоотводную способность существующих методов отвода тепла, технология отвода тепла силового электронного оборудования постоянно оптимизирует и совершенствует существующие методы отвода тепла, одновременно разрабатывая новые технологии отвода тепла. На рисунке 2 представлена схематическая диаграмма диапазона теплового потока, соответствующего общепринятым методам отвода тепла.
В технологии отвода тепла с естественной конвекцией в качестве теплоносителя используется воздух. Он использует плавучесть, создаваемую тепловым расширением и холодным сжатием самого воздуха, чтобы заставить воздух обтекать ребро радиатора и осуществлять обмен между горячим воздухом и холодным воздухом. По сравнению с другими методами отвода тепла, отвод тепла естественной конвекцией не требует дополнительной энергии, имеет простую конструкцию, надежную работу и практически не требует обслуживания. Он широко используется в условиях низкого теплового потока. Из-за простой структуры рассеивания тепла исследования естественного рассеивания тепла с помощью естественной конвекции в основном сосредоточены на оптимизации структуры рассеивания тепла и направления установки. В последние годы появилось множество исследований по рассеиванию тепла, подкрепленных теорией синергии полей.
В отличие от естественного отвода тепла конвекцией, движение охлажденного воздуха с принудительным воздушным охлаждением осуществляется с помощью вентилятора. Поскольку скорость воздуха значительно увеличивается, его способность рассеивать тепло сильнее. Его тепловой поток явно выше, чем тепловыделение при естественной конвекции, примерно в 5–10 раз больше, чем при естественном охлаждении воздуха. Проектирование конструкции принудительного воздушного охлаждения в основном включает в себя расчет параметров конструкции радиатора, выбор охлаждающего вентилятора и конструкцию воздуховода для жидкости. Эти три аспекта конструкции призваны сбалансировать зону рассеивания тепла, поток воздуха и перепад давления воздуха, чтобы обеспечить наилучший эффект от рассеивания тепла при принудительном воздушном охлаждении. Поскольку эффект рассеивания тепла при принудительном воздушном охлаждении явно лучше, чем у естественного воздушного охлаждения, хотя эффект рассеивания тепла не так хорош, как у принудительного жидкостного охлаждения, его сложность, объем, вес и позднее обслуживание явно лучше, чем у жидкостного охлаждения. Его можно широко использовать и быстро развивать в тепловом расчете мощных электронных устройств.
На рис. 3 показана типичная структура принудительного жидкостное охлаждение . Тепло, генерируемое источником тепла в конструкции рассеивания тепла, передается охлаждающей жидкости через корпус устройства и пластину жидкостного охлаждения путем теплопроводности. Нагретая жидкость под действием насоса подается в секцию теплообменника, а тепло через теплообменник рассеивается в окружающую среду. Принудительное жидкостное охлаждение, в отличие от принудительного воздушного, передает тепло от источника тепла к теплообменной части путем охлаждения жидкости. Прямой контакт с источником тепла является жидкостью, а теплопроводность жидкости значительно выше, чем у воздуха, поэтому ее эффект рассеивания тепла значительно лучше, чем рассеивание тепла при принудительном воздушном охлаждении, примерно в 6–10 раз больше, чем при воздушном охлаждении. При отводе тепла при жидкостном охлаждении использование сред с лучшей теплопроводностью может значительно улучшить эффект отвода тепла. Некоторые ученые предложили применение жидкого металла в качестве охлаждающей среды при термической разработке систем охлаждения силовых электронных устройств и подтвердили возможность применения жидкого металла при жидкостном охлаждении теплоотвода мощных электронных устройств посредством моделирования и экспериментов. В связи с наличием жидкости в системе необходимо рассмотреть возможность замены жидкости и предотвратить повреждение устройства, вызванное утечкой жидкости. Принудительное жидкостное охлаждение предъявляет высокие требования к надежности жидкости и системе трубопроводов. Из-за сложной структуры системы и большого количества компонентов объем и вес системы явно превышают тепловыделение системы воздушного охлаждения. Таким образом, среда применения принудительного жидкостного охлаждения имеет определенные ограничения.
Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Партье полупроводниковых материалов, при котором электрический ток протекает через границу раздела двух разных материалов, поглощая или выделяя тепло из внешнего мира. В последние годы с развитием технологии производства полупроводниковых материалов термоэлектрическое охлаждение получило быстрое развитие. На рис. 4 показана типичная структура термоэлектрического охлаждения. Хотя охлаждающий конец термоэлектрического охлаждения может значительно снизить температуру источника тепла, его общая способность рассеивания тепла ограничена мощностью горячего конца. Эффект рассеивания тепла всей системы тесно связан с режимом рассеивания тепла горячего конца. Поскольку на горячем конце термоэлектрического охлаждения все еще необходимо принимать меры по отводу тепла, общая система отвода тепла сложна и громоздка, что ограничивает ее применение.
Рассеивание тепла тепловой трубкой представляет собой принцип теплопередачи с фазовым переходом жидкости. Насыщенная жидкость внутри тепловой трубки поглощает тепло со стороны высокой температуры и испаряется. Насыщенный пар течет на сторону с низкой температурой, чтобы экзотермизироваться и конденсироваться в жидкость, и возвращается на сторону с высокой температурой под действием силы тяжести или капиллярной силы, чтобы продолжать участвовать в цикле абсорбции и экзотермии. На рисунке 5 показана типичная конструкция гравитационной тепловой трубы. Хотя рассеивание тепла тепловой трубкой является пассивным рассеиванием тепла, оно обладает превосходной теплопроводностью, несравнимой с другими металлами. В последние годы быстро развиваются различные технологии рассеивания тепла с помощью тепловых трубок.
Существует два основных определения микроканалов. Канал с гидравлическим диаметром 0,01~0,2 мм можно назвать микроканалом. Другой определяется соотношением плавучести и поверхностного натяжения. Независимо от определения, технология микроканального рассеивания тепла привлекает все большее внимание исследователей благодаря своим выдающимся преимуществам, таким как небольшой размер, небольшая разница температур теплопередачи и высокая эффективность теплопередачи на единицу площади. В последние годы, благодаря постоянному совершенствованию теории микроканалов и быстрому развитию технологий обработки, эта технология стала горячей темой исследований ученых. Исследование микроканалов Технология рассеивания тепла в основном фокусируется на оптимизации размера канала, а также характеристиках потока и теплопередачи среды канала.
С углублением исследований и разработок новые материалы стали применяться на различных структурных уровнях. Применение полупроводниковых материалов с запрещенной зоной SiC в переключающих устройствах. Применение новой среды фазового перехода с высокой надежностью в рассеивании тепла фазового перехода. В материалах термоинтерфейса, различных компонентах жидкого металла.
При решении проблемы рассеивания тепла в мощных электронных устройствах в первую очередь следует опираться на теорию термодинамики. Начиная с фундаментальных законов термодинамики; Придавайте большое значение исследованиям и разработкам новых материалов и производства. Будь то материал для рассеивания тепла или материал для термоинтерфейса, новый материал обладает несравненными преимуществами. Разрабатывайте новые материалы с превосходными тепловыми свойствами и снижайте затраты на производство и применение, чтобы их можно было широко использовать. Это может полностью раскрыть потенциал технологии отвода тепла и улучшить эффект отвода тепла. Исследования новых технологий рассеивания тепла также должны оставаться углубленными. В процессе развития существующей технологии отвода тепла от пассивного к активному, от естественной конвекции к принудительному воздушному охлаждению к принудительному жидкостному охлаждению и от однофазного отвода тепла к многофазному отводу тепла значительно увеличился тепловой поток. Хотя новый режим отвода тепла неизбежно будет сопровождаться изменением общей конструкции, увеличение теплового потока является значительным, что имеет большое значение для улучшения общего эффекта отвода тепла оборудованием.
