Развитие силовой электроники. Удельные токовые характеристики кристаллов IGBT. Путь распространения тепла. Зависимость теплового сопротивления от скорости потока. Сравнительные тепловые характеристики модулей стандартной и прижимной конструкции.
Аннотация к работе
Силовая Электроника, № 3’2010 ОхлаждениеДальнейший прогресс технологий силовой электроники возможен только при условии повышения эффективности систем охлаждения, наиболее перспективными из которых считаются жидкостные. Новейшие продукты микроэлектроники - мощные лазерные диоды или сверхъяркие светодиоды генерируют в процессе работы еще больше тепла (рис. Условиями, ограничивающими физические возможности отвода тепла в электронике, являются предельно допустимая температура чипа и максимальный уровень генерируемого тепла на единицу площади. Путь распространения тепла: а) установка чипов на изолирующую подложку (MOSFET, IGBT, да» R для подобных профилей оказывается диоды силовых модулей); б) флип-чипы, или перевернутые кристаллы (процессоры, память) недопустимо большим даже при оптимальном выборе режима охлаждения, что приво-thsa дит к перегреву кристаллов. Физические ограничения для систем охлаж-Достижения технологии IGBT последних лет Необходимость в последнем из указанных дения электронных устройств задаются значе-привели к появлению кристаллов с предельно методов отвода тепла возникает в случае, ког-нием максимальной рассеиваемой мощности высокими значениями плотности тока, диада нет возможности использовать жидкость на единицу контактной площади, темпера-пазон их рабочих температур расширен до 175 (например, по технологическим причинам) турой охлаждающей среды и габаритными и даже 200 °С.новленный на DBC-плате силового модуля В 2009 г. дизайнерский центр Semikron (как это сделано в SKIIP) или на радиаторе представил новую платформу на базе интел-с температурой T . 11), стемы защиты должен быть выбран с учетом предназначенную для использования в кон-используемого способа охлаждения. верторах энергетических станций. 10 показаны основные элементы конструкция, выбор режима охлаждения структуры «безбазового» модуля SKIIP с жид-и возможность параллельного соединения костным охлаждением: радиатор, силовой базовых блоков позволяют использовать ком-каскад на подложке из нитрида алюминия поненты платформы для разработки преобра-и плата управления с сигнальным разъемом. зователей мощностью от 450 КВТ до 2,5 МВТ.
Вывод
новленный на DBC-плате силового модуля В 2009 г. дизайнерский центр Semikron (как это сделано в SKIIP) или на радиаторе представил новую платформу на базе интел-с температурой T . Порог срабатывания си- лектуальных силовых ключей SKIIP (рис. 11), стемы защиты должен быть выбран с учетом предназначенную для использования в кон-используемого способа охлаждения. верторах энергетических станций. Модульная На рис. 10 показаны основные элементы конструкция, выбор режима охлаждения структуры «безбазового» модуля SKIIP с жид- и возможность параллельного соединения костным охлаждением: радиатор, силовой базовых блоков позволяют использовать ком-каскад на подложке из нитрида алюминия поненты платформы для разработки преобра-и плата управления с сигнальным разъемом. зователей мощностью от 450 КВТ до 2,5 МВТ. На этом же рисунке поясняется принципи- Основные характеристики системы приведе- s
Таблица 3. Сравнительные тепловые характеристики модулей стандартной и прижимной конструкции (рабочее напряжение 1700 В)
Тип модуля Конфигурация Ток коллектора Rth(j-c), °С/Вт Rth(c-s), °С/Вт Rth(j-s), °С/Вт
Рис. 11. а) SKIIP RACK — базовый конструктив 4-квадрантного преобразователя; б) внешний вид ячейки с жидкостным радиатором ны в табл. 4. Новая разработка ориентирована в первую очередь на возобновляемые источники энергии, такие как ветроэнергетические и солнечные установки, а также малые гидроэлектростанции.
Дизайн единичного модуля платформы SKIIP RACK позволяет ему работать в режиме воздушного и жидкостного охлаждения. Способ отвода тепла и конфигурация всей системы выбираются пользователем в зависимости от вида источника энергии и требуемой мощности.
Сборка SKIIP RACK включает все необходимые элементы монтажа, она может поставляться на раме или в шкафу в виде полностью законченной конструкции, имеющей силовые терминалы питания и выходов, а также штуцеры для подключения жидкостной системы охлаждения. Конструкция сборки содержит 3 вертикально расположенные ячейки, каждая из которых состоит из двух фазных блоков. Вес ячейки 26 кг, в звене постоянного тока применены полипропиленовые конденсаторы ELECTRONICON общей емкостью 3-5 МФ.
В режиме воздушного охлаждения SKIIP RACK дает возможность формировать 4-квадрантную систему мощностью до 1,5 МВТ, вся сборка размещается в стандартном шкафу размером 600?600?1400 мм. При параллельном соединении ячеек с жидкостным охлаждением общая мощность инвертора достигает 2,5 МВТ. В настоящее время в разработке находится платформа на базе компонентов SKIIP четвертого поколения, которая должна позволить увеличить токовые характеристики на 15-20% в тех же габаритах.
Список литературы
1. Schultz-Harder J. Liquid cooling in high density packages. www.curamik.com.
2. Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance of Power Modules // PCIM Europe journal. 2003.
3. Thermal Considerations in the Application of Silicon Rectifier. IR Designer’s Manual. 1991.
4. Calculation of the Maximum Virtual Junction Temperature Reached Under Short-time or Intermittent Duty. IEC 60747-6 by Semikron.