بحث حول طريقة الاختبار الحراري لوحدة IGBT الخاصة بتبديد الحرارة على الوجهين

بحث حول طريقة الاختبار الحراري لوحدة IGBT للسيارات ذات تبديد الحرارة على الوجهين

بالمقارنة مع وحدات طاقة التبريد التقليدية أحادية الجانب (SSC)، تتمتع وحدات التبريد مزدوجة الجوانب (DSC) بقدرات أكثر قوة على تبديد الحرارة ومعلمات طفيلية أقل.لزيادة تحسين كفاءة وكثافة الطاقة وموثوقية وحدات التحكم في محركات السيارات، حظي تطبيق وحدات طاقة التبريد مزدوجة الجوانب في السيارات الكهربائية باهتمام متزايد.مع التطبيق الشامل الناجح لأجهزة IGBT للتبريد على الوجهين للسيارات في الشركات المصنعة مثل Toyota (Denso)، وGM (Delphi)، وTesla (ST)، زاد طلب السوق على وحدات IGBT للتبريد على الوجهين بشكل حاد.

تعتمد وحدة طاقة تبديد الحرارة على الوجهين هيكل تغليف متقدم ثلاثي الأبعاد مع قنوات متعددة لنقل الحرارة.لا تزال طريقة اختبار المقاومة الحرارية الحالية تستخدم طريقة اختبار المقاومة الحرارية لنقل الحرارة أحادي القناة.على عكس وحدات IGBT للتبريد أحادية الجانب التقليدية، تقوم وحدات IGBT للتبريد على الوجهين بتوصيل الحرارة إلى الجانبين الأمامي والخلفي في نفس الوقت.تشبه طريقة تبديد الحرارة الخاصة بها طريقة وحدة IGBT التي يتم ضغطها.نظرًا لاختلاف هياكل العبوات، سيكون مسار تبديد الحرارة الداخلي والمقاومة الحرارية مختلفين تمامًا، وتحتاج طريقة التقييم إلى إعادة النظر.فقط عدد قليل من الشركات المصنعة الكبرى، مثل إنفينيون، أطلقت منتجات متسلسلة لتبديد الحرارة على الوجهين.

بروتوكول الاختبار الحراري

تتضمن طرق اختبار درجة حرارة الوصلة IGBT بشكل أساسي المعلمة الحرارية، ومحاكاة العناصر المحدودة، ومعايرة المستشعر، والمسح بالأشعة تحت الحمراء، وما إلى ذلك. تحدد الخصائص الهيكلية لوحدة IGBT للتبريد على الوجهين أنها تتطلب مقاومة حرارية عالية جدًا للتلامس.ومع ذلك، فإن مشكلة الحدبة التي قدمتها العملية الفريدة للوحدة X ستؤدي إلى تأثير تجعيد مباشر ضعيف بين سطح تبديد الحرارة والمشتت الحراري.تتمثل فرضية اختبار طريقة الواجهة المزدوجة في التأكد من أن مسارات تبديد الحرارة في علبة الوصلات الدقيقة متسقة في ظل شرطي الواجهة.سيؤدي الضغط المباشر إلى جعله غير متسق مع مسار واجهة شحم السيليكون، ولن يتطابق الجزء الأمامي من منحنى الهيكل والوظيفة، مما يؤدي إلى عدم القدرة على اختبار المقاومة الحرارية بدقة.ولذلك، فإن الطريقة التقليدية ذات الواجهة المزدوجة غير مناسبة للاختبار الحراري لوحدات IGBT الخاصة بالسيارات مع تبديد الحرارة على الوجهين.ومن الضروري تطوير مواد واجهة جديدة بدلاً من العقص المباشر لضمان تناسق مسارات تبديد الحرارة للواجهتين.

لحل المشاكل المذكورة أعلاه، تقترح هذه الورقة بشكل مبتكر طريقة اختبار حراري لهيكل تبديد الحرارة ثنائي الواجهة.لتحسين طريقة الواجهة المزدوجة التقليدية، يتم استخدام مادتين مختلفتين للواجهة الحرارية A وB، لفصل منحنيات الهيكل والوظيفة.يظهر الشكل 1 طريقة اختبار المقاومة الحرارية للاقتران على الوجهين للمواد ذات الواجهة المزدوجة، والخطوات هي كما يلي.

تتم تغطية أسطح التبريد الأولية والثانوية للوحدة بمواد الواجهة الحرارية A وB، والتي يتم تركيبها بالضغط على المشتت الحراري.يستمر الرادياتير في تمرير الماء، ويبدأ اختبار المقاومة الحرارية، ويتم الحصول على منحنيات الهيكل والوظيفة 1-1 1-2.

الجزء المتداخل من منحنيات وظيفة الهيكل هو المقاومة الحرارية لحالة الوصلة على الوجهين للوحدة.

يقوم الهيكل السطحي المعدني لمنتجات IGBT ذات التبريد المزدوج للسيارات بتوصيل الحرارة فقط وليس الكهرباء.يمكن فهم مسار تبديد الحرارة الخاص به على أنه جهازين لهما معلمات مختلفة للطاقة والمقاومة الحرارية، مما يدفع الحرارة إلى سطحين في وقت واحد من الخلف إلى الخلف.طالما أننا نحاول تحقيق تبديد الحرارة على الوجهين وتبديد الحرارة على الجانب الواحد لمنتجات السيارات، يمكن قياس منحنيات الهيكل والوظيفة لأسطح تبديد الحرارة الأولية والثانوية لوحدة IGBT من الناحية النظرية.تتمثل طريقة التخلص من تأثير اقتران التوصيل الحراري على الوجهين في تحقيق التوصيل الحراري أحادي الجانب.يظهر الشكل 2 طريقة اختبار المقاومة الحرارية أحادية الجانب للمواد ذات الواجهة المزدوجة، والخطوات المحددة هي كما يلي.

1) يتم تغطية سطح تبديد الحرارة الرئيسي للوحدة بمادة عازلة للحرارة، ويتم تثبيت سطح تبديد الحرارة الثانوي بالضغط على المبرد من خلال مواد الواجهة A وB. ويستمر المبرد في تمرير الماء لتبديد الحرارة، والهيكل- يتم قياس منحنيات الوظيفة لسطح تبديد الحرارة الثانوي 2-1، 2-2.

2) يتم تغطية سطح تبديد الحرارة الثانوي للوحدة بمادة عازلة للحرارة، ويتم تثبيت سطح تبديد الحرارة الأساسي بالضغط على المبرد من خلال مواد الواجهة A وB. ويستمر المبرد في تمرير الماء لتبديد الحرارة، والهيكل - يتم قياس منحنيات الوظيفة لسطح تبديد الحرارة الأساسي 3-1، 3-2.

تتطابق مسارات التوصيل الحراري من الوصلة إلى الحالة بالنسبة للقياسين على جانب واحد، وتختلف المقاومة الحرارية من الحالة إلى الحوض فقط.لذلك، يتم فصل منحنيي وظيفة الهيكل عند سطح التبريد للوحدة، والجزء المتداخل هو المقاومة الحرارية المقابلة لحالة الوصلة.يمكن الحصول على المقاومة الحرارية ذات الصلة من الوصلة إلى الحالة من خلال الطريقة المذكورة أعلاه.

بدءًا من الخصائص الهيكلية وخصائص التسخين للوحدة X، من خلال التصميم الهيكلي وتحليل المحاكاة والتحسين، يتم تحقيق تصميم الرادياتير بكفاءة عالية للتبادل الحراري.في حالة قوة التسخين القصوى للجهاز، يكون فرق درجة الحرارة بين سطحي التبريد العلوي والسفلي في حدود 1 درجة مئوية، ويكون فرق درجة الحرارة بين الماء الداخل والخارج في حدود 2 درجة مئوية.يظهر التصميم العام لجهاز الاختبار الحراري X-module في الشكل 3.

اختيار المواد

وفقًا لخطة الاختبار الحراري للمواد ذات الواجهة المزدوجة، من الضروري تحديد مادة توصيل حراري مناسبة ومواد عازلة للحرارة كواجهة لتحقيق اختبار المعاوقة الحرارية على الوجهين وأحادي الجانب لوحدة IGBT.بالنظر إلى الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد المختلفة، فقد تقرر اختيار فيلم الجرافيت الذي يبدد الحرارة وشحم السيليكون الموصل حراريًا كمواد واجهة حرارية لاختبار المقاومة الحرارية للوحدة X.

تم فحص airtel المرن وغراء البولي يوريثين PU كمواد مرشحة لواجهة العزل الحراري للاختبار الحراري للوحدة X.للتحقق من أداء العزل الحراري الفعلي للمادتين، تم استخدام مادتين لعزل سطح تبديد الحرارة الثانوي على التوالي.يستخدم اختبار مقارنة المقاومة الحرارية لسطح تبديد الحرارة الرئيسي فيلم الجرافيت المتجانس من مادة موصلة للحرارة.

تظهر نتائج المقارنة أن المقاومة الحرارية لحلقة الوصلة وأعلى درجة حرارة للوصلة يتم قياسها في ظل الظروف الكاظمية للمادة اللاصقة المصنوعة من مادة البولي يوريثين PU أقل من تلك الموجودة في الأيروجيل.إنه يوضح أنه في ظل نفس عزم الدوران الضغط، تكون قدرة العزل الحراري لشركة Airtel أفضل من قدرة غراء البولي يوريثين PU.ولذلك، تم اختيار إيرتيل كمادة العزل الحراري للاختبار الحراري.

الاختبار الحراري وتحليل النتائج

تم تصميم ظروف اختبار مقارنة القوة الملائمة للضغط لدراسة تأثير عزم الدوران المناسب للضغط على المقاومة الحرارية لحالة الوصلة للوحدة X.مع زيادة عزم دوران الضغط، تقل المقاومة الحرارية لحلقة الوصلات الخاصة بالوحدة X IGBT وFRD.ومع ذلك، أظهر اختبار المقاومة الحرارية لحالة الوصلة عدم وجود تغيير كبير.ويوضح أنه بالنسبة لوحدات IGBT لتبديد الحرارة على الوجهين، تؤثر عزم الدوران المختلفة للضغط فقط على المقاومة الحرارية للتلامس بين الجهاز والمشتت الحراري وليس لها أي تأثير على اختبار المقاومة الحرارية لحالة الوصلات.

يظهر نموذج المحاكاة الحرارية للوحدة X في الشكل 4.

وفقًا لطريقة المواد ذات الواجهة المزدوجة، يتم إجراء اختبار المقاومة الحرارية من جانب واحد لأسطح تبديد الحرارة الأولية والثانوية للوحدة X.تظهر نتائج الاختبار أن المقاومة الحرارية أحادية الجانب للأنابيب العلوية والسفلية المقاسة بهذه الطريقة تتمتع بتماسك جيد.

يكون الانحراف بين القيم المقاسة والمحاكاة للمقاومة الحرارية على الوجهين لـ IGBT وFRD ضمن ±5%.يكون الاختلاف بين القيمة المقدرة والقيمة الزائفة للمقاومة الحرارية لسطح تبديد الحرارة الأولي ضمن ±10%.تنحرف القيمة المقاسة للمقاومة الحرارية لسطح التبريد الثانوي عن القيمة المحاكاة بحوالي 70%.

نظرًا لعدم وجود مادة عزل حراري مطلقة، لا يمكن التخلص من تأثير الاقتران الحراري لوحدة التبريد على الوجهين.بالنسبة لحالة العزل الحراري لسطح تبديد الحرارة الثانوي، تتدفق معظم الحرارة عبر سطح تبديد الحرارة الأولي بدون مادة عازلة للحرارة لتشكيل تبديد حرارة مثالي من جانب واحد، ويكون انحراف قيمة الاختبار طفيفًا.بالنسبة للحالة الأدياباتيكية لسطح تبديد الحرارة الأساسي، سوف تتدفق بعض الحرارة من خلال سطح تبديد الحرارة الأساسي بمواد عازلة للحرارة، ويكون تأثير الاقتران كبيرًا نسبيًا.وهذا يؤدي إلى انحراف كبير بين الاختبار والقيم المحاكاة.

بالنسبة لتأثير الاقتران الحراري في الاختبار الحراري لسطح تبديد الحرارة الثانوي، فإن طريقة التصحيح هي إزالة تأثير الاقتران عن طريق عكس المقاومة الحرارية لسطح تبديد الحرارة الثانوي بناءً على المقاومة الحرارية المقاسة لسطح تبديد الحرارة الأولي وكلاهما الجانبين.يتم تقليل خطأ النتيجة المصححة إلى 25٪.

تم إجراء اختبارات متكررة للضغط والمقاومة الحرارية على الوحدة X للتحقق من إمكانية تكرار طريقة الاختبار الحراري لوحدة IGBT للسيارات لتبديد الحرارة على الوجهين.أظهرت النتائج أن انحراف نتائج الاختبار الخمسة يقع ضمن ±2%، مما يشير إلى أن طريقة الاختبار الحراري تتمتع بقابلية تكرار وتعميم جيدة.

خاتمة

استنادًا إلى الدراسة المقارنة لتصميم أدوات الاختبار الحراري، واختيار مواد الواجهة، وطرق تركيب الضغط، تم اقتراح طريقة اختبار حراري لمواد واجهة تبديد الحرارة المزدوجة المناسبة لوحدات IGBT الخاصة بتبديد الحرارة في السيارات على الوجهين.يمكن لهذه الطريقة تحقيق اختبار المقاومة الحرارية لحالة الوصلات على الوجهين وأحادية الجانب.بالنسبة لوحدة IGBT الخاصة بتبديد الحرارة على الوجهين، فإن عزم الدوران الملائم للضغط ضمن نطاق معين لا يؤثر على اختبار المقاومة الحرارية لعلبة الوصلات.يكون الانحراف بين القيم المقاسة والمحاكاة للمقاومة الحرارية على الوجهين لـ IGBT وFRD التي تم الحصول عليها بواسطة طريقة اختبار المقاومة الحرارية على الوجهين في حدود ±5%.يكون الانحراف بين القيمة المقاسة والقيمة المحاكاة للمقاومة الحرارية أحادية الجانب ضمن ±10%.هذا يمكن أن يحقق بدقة اختبار المقاومة الحرارية لمركبة IGBT لتبديد الحرارة على الوجهين، وتكون النتائج ذات قيمة مرجعية.لا يمكن التخلص من تأثير الاقتران الحراري لوحدة تبديد الحرارة على الوجهين، مما يؤدي إلى مسألة صغيرة تتمثل في المقاومة الحرارية المقاسة والمحاكاة لجانب واحد.يمكن تقليل تأثير الاقتران، ويمكن تصحيح نتائج الاختبار عن طريق عكس المقاومة الحرارية لسطح تبديد الحرارة الثانوي بناءً على المقاومة الحرارية المقاسة لسطح تبديد الحرارة الأولي وكلا الجانبين.تتميز طريقة الاختبار الحراري بقابلية تكرار وتعميم جيدة.