В силовой электронике биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) является одним из наиболее широко используемых полупроводников. Современные IGBT изготовлены из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) для повышения производительности и термического КПД.
Хотя IGBT полезны для питания и преобразования, они также могут выделять много тепла при переключении на высоких частотах.
Охлаждение IGBT-устройств представляет собой серьезную проблему для инженеров-электриков.
Разработка БТИЗ
IGBT — более мощный переключатель, который работает, управляя напряжением на полупроводниковой части для создания электрической цепи. Впервые он был представлен в 1980-х годах и был усовершенствован благодаря изобретению металлооксидно-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET).
IGBT необычен, поскольку в нем отсутствует функция тиристора, что обеспечивает более эффективное устройство. Инверторы, моторные приводы и системы питания для современных солнечных и ветряных турбин изготавливаются с использованием IGBT.
Терморегулирование IGBT
Производство, преобразование, передача и распределение электроэнергии требует использования оборудования силовой электроники. Энергетические технологии используются для повышения энергоэффективности, надежности и контроля. Некоторые эксперты полагают, что в какой-то момент в будущем вся электроэнергия будет проходить через силовые полупроводниковые устройства.
IGBT — это высоковольтные и мощные устройства, которые становятся все более популярными. IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это полупроводниковый переключатель, который позволяет проходить электричеству при его включении и выключении.
IGBT работает, подавая напряжение на полупроводниковый компонент, изменяя его свойства и позволяя ему блокировать или создавать электрический путь.
Для приложений средней частоты (5–50 кГц) и высокого напряжения (200–2000 В) IGBT сочетает в себе вход изолированного затвора с биполярным выходом для создания надежного силового ключа.
Большие модули IGBT часто включают в себя несколько устройств, соединенных параллельно, и могут выдерживать ток в сотни ампер с блокирующим напряжением до 6500 В. Эти IGBT могут контролировать сотни киловатт мощности.
IGBT используются в широком спектре приложений высокой мощности, включая электрические и гибридные транспортные средства, зарядные устройства аккумуляторов, электрические автобусы, приводы двигателей приборов, переключатели и источники питания, преобразователи управления напряжением, средства управления приводом двигателя, инверторы солнечной и ветровой энергии, управление температурным режимом и медицинские диагностические устройства.
Терморегулированию IGBT можно способствовать с помощью различных решений по охлаждению. Каждый выбор имеет свой набор преимуществ.
Воздушное охлаждение
Для систем с низким энергопотреблением радиаторы с воздушным охлаждением также могут быть быстрым и экономичным вариантом. Для поглощения тепла и выбросов в некоторых промышленных моделях используется радиатор с большой массой и теплоемкостью.
Радиаторам с воздушным охлаждением сложнее выдерживать высокие температуры и температурные скачки в мощном электронном оборудовании из-за способности воздуха переносить тепло и обычных высоких акустических рабочих температур, в результате чего воздушное охлаждение экономично только для оборудования малой и средней мощности.
Прямое жидкостное охлаждение
В IGBT прямое жидкостное охлаждение улучшает характеристики теплопередачи и снижает тепловое сопротивление, снижая температуру перехода и повышая мощность.
Жидкостное охлаждение также позволяет разработчикам производить более высокую мощность на единицу объема, повышая производительность и эффективность. Прямое жидкостное охлаждение ранее достигалось путем обжима больших медных трубчатых холодных пластин на алюминиевые блоки с использованием теплопроводящей эпоксидной смолы.
Другие конструкции включают медные трубы, обработанные для повышения эффективности. Радиатор со штыревыми ребрами имплантируется в подложку DBC, которая впоследствии прикрепляется к резервуару с жидкостью, позволяя охлаждающей жидкости циркулировать по ребрам для охлаждающего эффекта.
Микроканальное жидкостное охлаждение
Инновационная концепция микроканального жидкостного охлаждения обеспечивает минимально возможное тепловое сопротивление для мощных устройств.
По сравнению с более ранними системами жидкостного охлаждения встроенное микроканальное жидкостное охлаждение может снизить тепловое сопротивление IGBT в 10–100 раз за счет уменьшения тепловой массы охлаждающей жидкости в мини-каналах потока.
Это значительно улучшает скорость теплопередачи и рабочую температуру систем IGBT. Улучшая микроканальную теплофизику, Микроканальные охлаждающие пластины Winshare Thermalloy повышают производительность.
Наши конструкции микроканальных решеток могут быть скорректированы в соответствии с характеристиками модулей IGBT и могут обеспечить силовой электронике непревзойденный и стабильный терморегулятор.
Применение IGBT в силовой электронике
За последние несколько десятилетий IGBT приобрели популярность в силовой электронике. IGBT обеспечивают питание различных устройств и систем.
Инверторы
Благодаря превосходному управлению затвором и способности выдерживать более значительные токи IGBT идеально подходят для инверторов. Расширенные возможности охлаждения модулей IGBT обеспечивают более успешный переход от постоянного тока к переменному.
Конвертеры
Преобразователи напряжения питаются от биполярных транзисторов с индуктивной связью (IGBT). При проектировании электропитания преобразователи играют важнейшую роль.
Источники питания
IGBT могут использоваться с двумя различными источниками питания:
● Импульсный источник питания (SMPS).
● Источник бесперебойного питания (ИБП).
Импульсный источник питания
IGBT могут помочь в сильноточных приложениях, тогда как импульсный преобразователь используется для преобразования выходного напряжения в SMPS.
Источник бесперебойного питания
IGBT может помочь ИБП обеспечить плавное и постоянное питание в случае сбоя электрической системы.
Применение возобновляемых источников энергии
Решения в области возобновляемых источников энергии интегрируются в стратегические планы все большего числа коммерческих, промышленных и муниципальных организаций. Использование микроканальной технологии для оптимизации жидкостного охлаждения IGBT может помочь клиентам создавать более устойчивую энергию при меньших затратах.
Солнечные инверторы
Солнечные инверторы принимают электроэнергию постоянного тока, вырабатываемую солнечными панелями, и преобразуют ее в мощность переменного тока, которую могут использовать потребители. IGBT является важнейшим компонентом, позволяющим людям получить доступ к более разумной и чистой энергии, и для правильной работы он должен иметь температурный контроль.
Концентрированные фотоэлектрические приемники (CPV)
Сотни зеркальных отражателей используются в концентрирующих фотогальванических элементах (CPV) для направления солнечной энергии к центральному приемнику. Результирующая выходная мощность генерирует тепловой поток вблизи поверхности Солнца!
Для обеспечения постоянной работы приемник CPV, жизненно важный компонент системы, должен охлаждаться с использованием высокоэффективных методов, таких как микроканальное жидкостное охлаждение.
Солнечные тепловые насосы
Чтобы сэкономить деньги на отоплении, солнечный тепловой насос сочетает в себе обычный тепловой насос с фотоэлектрическим входом.
Микроканальные холодные пластины для силовых модулей IGBT могут повысить энергоэффективность и одновременно снизить общую стоимость владения системой.
Заключение
IGBT выделяют много тепла, и слишком большое его количество может нанести вред. Из-за огромных размеров, необходимых для управления огромными объемами тепла, использование решений воздушного охлаждения, таких как радиаторы, для рассеивания высокой мощности IGBT может быть непрактичным.
Жидкостное охлаждение имеет на много порядков больший коэффициент теплопередачи, чем конвекционное охлаждение, что позволяет значительно повысить плотность мощности и сделать более компактными модульные и инверторные решения. Хотя жидкостное охлаждение иногда вызывает сопротивление в сфере силовой электроники, оно необходимо для выполнения многих современных требований по терморегулированию IGBT.
Жидкостное охлаждение двигателей внутреннего сгорания используется в автомобильной промышленности уже более столетия, и идея использования жидкостного охлаждения для силовой электроники в автомобильной промышленности в настоящее время не считается проблемой. Методы жидкостного охлаждения IGBT включают холодные пластины, тепловые трубки, турбулизаторы и контуры парового охлаждения.
Winshare Thermalloy создает уникальные микроканальные решения для жидкостного охлаждения IGBT, которые помогут вам повысить производительность, эффективность, безопасность и надежность вашей системы силовой электроники.
