Медно-алюминиевый радиатор для охлаждения мощных IGBT-транзисторов.

Мощные IGBT-модули широко используются в силовой электронике, системах возобновляемой энергии, промышленных приводах, тяговых системах, оборудовании для хранения энергии и высоковольтных преобразователях энергии. Во время работы IGBT-модули выделяют большое количество тепла. Если это тепло не отводится эффективно, температура перехода может быстро повышаться, что приводит к снижению эффективности, тепловому напряжению, уменьшению мощности или даже выходу модуля из строя.

Для многих мощных приложений часто рассматривается радиатор на основе тепловых трубок, поскольку тепловые трубки могут эффективно передавать тепло на определенное расстояние. Однако в суровых условиях, таких как наружная среда, высокая влажность, большая высота и низкие температуры, решения на основе тепловых трубок могут столкнуться с рисками для надежности. Рабочая жидкость в тепловых трубках может замерзнуть в условиях экстремально низких температур, а герметичная конструкция трубки может протечь или привести к долговременному снижению производительности.

Для решения этих проблем компания Kingka разработала радиатор, припаянный к медно-алюминиевым сердечникам, на основе медной опорной пластины, алюминиевых ребер и технологии высокотемпературного припоя. Эта конструкция позволяет избежать использования тепловых трубок и основана на твердотельной теплопроводности через медь и алюминий, предлагая более стабильное и надежное решение для охлаждения IGBT-транзисторов в суровых условиях эксплуатации.

Почему охлаждение мощных IGBT-транзисторов является критически важной задачей проектирования

IGBT-модули являются основными силовыми компонентами во многих электрических системах. Они коммутируют высокое напряжение и большой ток, а это значит, что во время работы они выделяют значительное количество тепла. Когда тепло не может отводиться от модуля достаточно быстро, температура устройства повышается, что влияет как на производительность, так и на срок службы.

В реальных условиях применения управление тепловым режимом IGBT-транзисторов — это не только снижение температуры. Клиентов обычно волнуют несколько более глубоких вопросов:

• Как уменьшить количество локальных проблемных зон в модуле IGBT?

• Как улучшить распределение тепла по основанию радиатора

• Как поддерживать стабильную эффективность охлаждения в условиях открытого воздуха

• Как избежать протечек, замерзания и рисков, связанных с техническим обслуживанием.

• Как сбалансировать холодопроизводительность, надежность конструкции, вес и стоимость

• Как изготовить радиатор на заказ, который будет соответствовать фактическому месту установки?

По этой причине стандартного алюминиевого радиатора часто недостаточно для мощных IGBT-транзисторов. Требуется более надежная конструкция радиатора, изготовленная на заказ.

Распространенные проблемы радиаторов с тепловыми трубками в суровых условиях эксплуатации

Радиаторы с тепловыми трубками могут быть эффективны во многих контролируемых условиях. Однако для использования на открытом воздухе и в экстремальных условиях они могут создавать технические риски, которые нельзя игнорировать.

1. Риск замерзания в условиях низких температур.

Внутри герметичной трубки тепловой трубки находится рабочая жидкость. В условиях низких температур эта жидкость может замерзнуть. После замерзания объем жидкости может расшириться и повредить внутреннюю структуру тепловой трубки. В тяжелых случаях трубка может треснуть, что приведет к полному отказу функции теплопередачи.

Для мощных IGBT-систем, используемых в холодных регионах, на открытых электростанциях, на высокогорном оборудовании или в зимних условиях эксплуатации, это является серьезной проблемой с точки зрения надежности.

2. Риск протечки и нарушения герметичности.

Тепловая трубка работает за счет герметичной конструкции. Если уплотнительная зона изнашивается, трескается или выходит из строя под воздействием длительной вибрации, влажности, температурных циклов или механических нагрузок, внутренняя рабочая жидкость может протекать. После возникновения утечки тепловая трубка теряет свою способность к теплопередаче.

В системах охлаждения силовой электроники подобный тип неисправности может быть трудно обнаружить на ранней стадии, но он может напрямую повлиять на безопасность и надежность всей системы.

3. Снижение производительности при длительном использовании

Эффективность теплопередачи тепловой трубки зависит от внутренней циркуляции рабочего тела, структуры фитиля и фазового перехода пар-жидкость. В жестких условиях эксплуатации длительные термические циклы и механические нагрузки могут снизить стабильность работы.

Именно поэтому для некоторых проектов по охлаждению IGBT-транзисторов в суровых условиях более надежным выбором может оказаться теплоотвод на основе твердой проводимости без внутренней рабочей жидкости.

Концепция конструкции радиатора, спаянного медью и алюминием.

Радиатор, изготовленный методом пайки медью и алюминием, предназначен для решения проблем надежности систем охлаждения на основе тепловых трубок. Вместо внутренней циркуляции жидкости в радиаторе используется медная опорная пластина для распределения тепла и алюминиевые ребра для рассеивания тепла.

Медная опорная пластина быстро поглощает и рассеивает тепло от IGBT-модуля, а алюминиевая ребристая структура увеличивает площадь рассеивания тепла и передает тепло в окружающий воздух.

Данная конструкция сочетает в себе преимущества меди и алюминия:

• Медь обладает превосходной теплопроводностью и способностью рассеивать тепло.

• Алюминий обеспечивает легкую конструкцию и широкое рассеивание тепла.

• Пайка улучшает контактное взаимодействие между медью и алюминием.

• Отсутствие тепловых трубок означает отсутствие замерзания, утечек и более высокую экологическую надежность.

Данная конструкция особенно подходит для охлаждения мощных IGBT-транзисторов, охлаждения силовой электроники наружного применения и для специализированных решений по терморегулированию, используемых в суровых условиях.

Основные структурные параметры медно-алюминиевого радиатора

Конструкция радиатора основана на принципе «распределение тепла + эффективное рассеивание тепла». Медная опорная пластина отводит концентрированное тепло от IGBT-модуля, а алюминиевые ребра увеличивают эффективную площадь охлаждения.

основные структурные параметры

Данная комбинация параметров подходит для крупногабаритных алюминиевых радиаторов, медно-алюминиевых радиаторов и радиаторов для охлаждения IGBT-транзисторов, требующих стабильных тепловых характеристик и высокой адаптивности к условиям окружающей среды.

Зачем использовать медную опорную пластину толщиной 5 мм?

Нижняя поверхность IGBT-модуля часто генерирует концентрированное тепло. Если это тепло передается непосредственно на алюминиевый радиатор, могут возникать локальные перепады температур, поскольку алюминий имеет более низкую теплопроводность, чем медь.

Медная опорная пластина толщиной 5 мм помогает решить эту проблему, более равномерно распределяя тепло до того, как оно попадет в алюминиевую ребристую структуру. Это снижает риск локального перегрева и повышает стабильность работы IGBT-модуля.

Медная опорная плита обладает рядом преимуществ:

• лучшее распределение тепла под модулем IGBT

• меньшая разница температур на основании радиатора

• уменьшение локальных очагов возгорания

• улучшенные тепловые характеристики контакта

• улучшенная защита мощных полупроводниковых устройств

В мощных приложениях медная опорная пластина является не только слоем теплопроводности, но и ключевым элементом, улучшающим равномерность распределения температуры и надежность модуля.

Конструкция с алюминиевыми ребрами для рассеивания тепла на большой площади

Алюминиевая ребристая секция предназначена для отвода тепла в окружающую среду. В данном решении длина ребра достигает 850 мм, высота составляет 100 мм, а толщина ребра — 1,5 мм. Такая большая ребристая конструкция обеспечивает широкую площадь рассеивания тепла, что делает ее подходящей для мощных тепловых нагрузок.

Алюминий выбран потому, что он обеспечивает хороший баланс между тепловыми характеристиками, весом, стоимостью и технологичностью производства. По сравнению с полностью медным радиатором, композитная конструкция из меди и алюминия позволяет снизить общий вес, сохраняя при этом высокую эффективность распределения тепла в области источника тепла.

Для радиаторов такого типа с ребристым ребристым корпусом геометрия ребер имеет важное значение, поскольку она напрямую влияет на тепловое сопротивление со стороны воздуха. Высота ребер, расстояние между ребрами, толщина ребер и направление воздушного потока должны быть оптимизированы в соответствии с фактическими условиями эксплуатации.

преимущества алюминиевой ребристой конструкции

Благодаря этому решение подходит для радиаторов силовой электроники, радиаторов IGBT-модулей, промышленных систем охлаждения и других применений в системах терморегулирования высокой мощности.

Соединение медно-алюминиевого интерфейса с помощью паяльной пасты при температуре 230°C.

Граница раздела между медью и алюминием является одной из важнейших частей всего радиатора. Даже если оба материала обладают хорошей теплопроводностью, плохое соединение на границе раздела может привести к высокому контактному тепловому сопротивлению и снизить общий охлаждающий эффект.

Для улучшения качества соединения в этом радиаторе используется высокотемпературная паяльная паста (230 °C) в сочетании с трафаретной печатью. Паяльная паста равномерно наносится на зону соединения с помощью специально изготовленного стального трафарета. После точного выравнивания и контролируемого нагрева припой плавится и образует прочное термическое и механическое соединение между медной опорной пластиной и алюминиевой конструкцией.

ключевые этапы процесса

Благодаря этому процессу достигается плотный контакт между медью и алюминием, а также снижается тепловое сопротивление, что крайне важно для охлаждения мощных IGBT-транзисторов.

Почему трафаретная печать важна при пайке

При изготовлении крупногабаритного медно-алюминиевого радиатора паяльную пасту нельзя наносить произвольно. Если слой припоя слишком тонкий, некоторые участки могут плохо припаяться. Если же слой припоя слишком толстый, это может увеличить тепловое сопротивление или привести к неравномерному соединению.

Трафаретная печать помогает решить эту проблему, контролируя толщину и распределение паяльной пасты. Это повышает стабильность, повторяемость и эффективность производства.

К преимуществам трафаретной печати относятся:

• более равномерная толщина паяльной пасты

• лучший контроль зоны склеивания

• снижен риск образования локальных пустот

• улучшено качество контакта медь-алюминий

• улучшенная повторяемость процесса для серийного производства

• более стабильные тепловые характеристики

Для производителя радиаторов, изготавливаемых на заказ, стабильность процесса так же важна, как и выбор материала. Хорошая конструкция должна быть технологичной, воспроизводимой и надежной в реальных условиях эксплуатации.

Медно-алюминиевый радиатор против радиатора с тепловыми трубками

Для охлаждения IGBT-транзисторов в суровых условиях медно-алюминиевый радиатор, припаянный к корпусу, обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным радиатором на основе тепловых трубок.

Это не означает, что радиаторы с тепловыми трубками бесполезны. Во многих областях применения тепловые трубки остаются эффективным решением. Однако, когда основной проблемой для заказчика является замерзание, протечки и долговременная надежность в суровых условиях, радиатор, припаянный к медно-алюминиевому сердечнику, может быть более подходящим.

Преимущества применения в суровых условиях

Этот медно-алюминиевый композитный радиатор предназначен для применений, где надежность важнее, чем просто кратковременная теплоотдача.

1. Отсутствие риска отказа тепловых трубок.

Поскольку в радиаторе не используются тепловые трубки, он не зависит от внутренней рабочей жидкости, циркуляции пара или герметичных трубчатых конструкций. Это исключает риски утечки жидкости, растрескивания трубок и старения тепловых трубок.

Для IGBT-систем, которые должны работать непрерывно, это является существенным преимуществом.

2. Отсутствие проблем с замерзанием в условиях низких температур.

В холодных регионах или при использовании на открытом воздухе рабочая жидкость в тепловых трубках может замерзнуть и повредить трубку. Медно-алюминиевый радиатор использует твердотельную теплопроводность, поэтому на него не влияет замерзание внутренней жидкости.

Это делает его подходящим для:

• высотное силовое оборудование

• наружные электрические шкафы

• ветроэнергетические системы

• системы хранения энергии

• железнодорожные и тяговые энергетические системы

• промышленное оборудование в холодных регионах

• жесткое наружное охлаждение силовой электроники

3. Лучшее распределение тепла под модулем IGBT.

Медная опорная пластина толщиной 5 мм способствует более равномерному распределению тепла по основанию радиатора. Это снижает концентрацию температуры на нижней поверхности IGBT-транзистора и повышает надежность модуля.

4. более высокая структурная надежность

Конструкция, выполненная методом пайки медью и алюминием, обладает высокой механической стабильностью. Она позволяет избежать хрупкой герметичной конструкции тепловых трубок и лучше подходит для работы в условиях вибрации, влажности, температурных циклов и на открытом воздухе.

5. Подходит для изготовления продукции на заказ.

Процесс трафаретной печати паяльной пасты является контролируемым и воспроизводимым. Он может быть адаптирован к различным размерам радиаторов, областям пайки, структурам ребер и тепловым требованиям заказчика.

В каких случаях следует выбирать радиатор, припаянный к медно-алюминиевой матрице?

Пайка медно-алюминиевого радиатора подходит в тех случаях, когда заказчику требуется надежное решение для охлаждения мощной электроники, но при этом он хочет избежать рисков, связанных с тепловыми трубками.

рекомендуемые сценарии применения

Для некоторых применений с чрезвычайно высоким тепловым потоком может потребоваться жидкостная охлаждающая пластина. Компания Kingka также может предложить решения на заказ: жидкостные охлаждающие пластины, пластины с водяным охлаждением, жидкостные охлаждающие пластины FSW и охлаждающие пластины, изготовленные на станках с ЧПУ, когда воздушного охлаждения или теплоотводов с твердотельной проводимостью недостаточно.

Медно-алюминиевый радиатор или жидкостная охлаждающая пластина: как выбрать?

В системах терморегулирования мощных систем используются как медно-алюминиевые радиаторы, так и жидкостные охлаждающие пластины, но они решают разные задачи.

Если для заказчика первостепенное значение имеет надежность в суровых условиях эксплуатации, то радиатор, припаянный к медно-алюминиевому сердечнику, является хорошим вариантом. Если же тепловой поток слишком высок для воздушного охлаждения, то более подходящим может оказаться жидкостная охлаждающая пластина.

Как Kingka поддерживает проекты по индивидуальному охлаждению IGBT-транзисторов

Компания kingka специализируется на разработке и производстве компонентов для управления тепловым режимом силовой электроники, систем хранения энергии, промышленного оборудования, светодиодных систем, телекоммуникационного оборудования, систем автоматизации и мощных электронных устройств.

В число наших продуктов и услуг входят:

• изготовленный на заказ алюминиевый радиатор

• медный радиатор

• медно-алюминиевый радиатор

• радиатор с рифлеными ребрами

• экструзионный радиатор

• тепловая трубка радиатор

• радиатор охлаждения IGBT

• жидкая холодная пластина

• пластина водяного охлаждения

• жидкая холодная пластина fsw

• холодная пластина, обработанная на станке с ЧПУ

• индивидуальные решения для управления температурным режимом

В проектах по охлаждению IGBT-транзисторов компания Kingka может оказать поддержку в проектировании конструкции, выборе материалов, проектировании ребер охлаждения, медно-алюминиевой сварке, оптимизации процесса пайки, обработке на станках с ЧПУ, обработке поверхности, а также в изготовлении продукции на заказ в соответствии с чертежами заказчика или требованиями к применению.

Наша цель — не просто производить радиаторы, а помогать клиентам решать практические проблемы теплоотвода, включая перегрев отдельных участков, ограниченное пространство, эксплуатацию в суровых условиях, риски для надежности и долговременную стабильность работы.

Для мощных IGBT-модулей, используемых в суровых условиях, традиционные тепловые трубки в качестве радиаторов могут представлять опасность, например, из-за замерзания рабочей жидкости, протечек, нарушения герметичности и долговременного снижения производительности. Эти проблемы могут стать серьезными в условиях эксплуатации на открытом воздухе, при высокой влажности, на большой высоте и при низких температурах.

Радиатор Kingka с медно-алюминиевой пайкой представляет собой более надежную альтернативу. Используя медную опорную пластину толщиной 5 мм для распределения тепла, алюминиевую основу толщиной 10 мм и большие алюминиевые ребра для рассеивания тепла, а также паяльную пасту с температурой плавления 230°C и технологией трафаретной печати для соединения меди и алюминия, это решение обеспечивает стабильную тепловую производительность без использования тепловых трубок.

В результате получился надежный, технологичный и устойчивый к воздействию окружающей среды радиатор для охлаждения IGBT-транзисторов, подходящий для сложных применений в силовой электронике.

Для клиентов, которым необходимы радиаторы, изготовленные по индивидуальному заказу, медно-алюминиевые радиаторы, радиаторы с ребрами, жидкостные охлаждающие пластины или комплексные решения для управления тепловым режимом, компания Kingka может предоставить надежную поддержку в проектировании и производстве, учитывая фактическую тепловую нагрузку, монтажное пространство, условия эксплуатации и требования к долгосрочной надежности.