Flydende kolde plader til IGBT-moduler

1. Hvad er et IGBT-modul?

Inden for elbiler, vedvarende energiproduktion, jernbanetransport og industriel automation udvikler IGBT-moduler sig mod højere effekttæthed, mindre fodaftryk og højere junctiontemperaturer. Men efterhånden som chips effekttæthed stiger, skrumper den tilgængelige køleplads hurtigt. Undersøgelser viser, at termiske problemer forårsager mere end 50% af integrerede kredsløbsfejl; for effektelektronik er omkring 55% af IGBT-fejl temperaturrelaterede. Traditionel luftkøling har en begrænset konvektiv varmeoverføringskoefficient (ca. 37 W/cm² i bedste fald) og et stort volumen, hvilket gør den utilstrækkelig til næste generations effektmoduler. Flydende koldpladeteknologi er blevet en kerneløsning til termisk styring af højtydende chip.

2. Termiske udfordringer ved IGBT'er og begrænsninger ved traditionel køling

Et IGBT-modul genererer betydelig varme. For en 100 kW inverter med 98% effektivitet skal omkring 2 kW varme fjernes af det termiske styringssystem. Desuden er varmefordelingen ikke ensartet; lokale hotspots på chippens overflade kan være meget varmere end gennemsnitstemperaturen, og disse hotspots begrænser dynamisk ydeevne og levetid.

Temperatur korrelerer stærkt med IGBT-fejl. En statistisk undersøgelse af vindmøllefejl i 23 lande mellem 2003 og 2017 viste, at IGBT-modulfejl tegnede sig for 22 % af uplanlagt konverternedetid – en af de mest fejlbehæftede komponenter i vindmøllesystemer. Hyppig acceleration/deceleration i køretøjer forårsager alvorlige effektskift og temperaturudsving, hvilket fører til træthed i bindingstråden, loddelaminering og andre termiske træthedsfejl. Termisk løbskhed kan forårsage strømtab i elbiler, hvilket er en alvorlig sikkerhedsrisiko.

Fra et termisk modstandsperspektiv er IGBT-varmeafledning et problem med termisk modstand i flere lag. Grænsefladen's termiske modstand tegner sig for mere end 60 % af det samlede beløb, hvilket gør den til den vigtigste flaskehals. Inden for modstanden mellem samling og kabinet er DBC (direktebundet kobber) keramisk substrat den dominerende bidragyder (over 75 %). Traditionel luftkøling lider af tre store begrænsninger: lav varmeoverførselskoefficient, dårlig evne til at eliminere lokale hotspots og stort systemvolumen, hvilket er i konflikt med systemminiaturisering.

3. hvordan flydende kolde plader arbejde og dets klassificering

En flydende kold plade (også kaldet en køleplade, flydende køleplade eller vandkøleplade) bruger tvungen væskekonvektion til at fjerne varme. Funktionsprincippet er simpelt: Varme fra IGBT-modulet overføres gennem en termisk grænseflade til den kolde plades base og føres derefter væk af kølevæsken, der strømmer gennem interne kanaler; det opvarmede kølevæske cirkulerer til en varmeveksler, køler ned og vender tilbage.

Baseret på fremstillingsprocesser og strukturelle former anvendes fire almindelige IGBT-koldpladetyper i dag inden for ingeniørvidenskab.

3.1 traditionelle flydende kolde plader

Traditionelle designs omfatter borede, samlede, svejsede og rørformede typer. Disse har enklere bearbejdning, lavere omkostninger og er velegnede til IGBT-moduler med lav til mellem effekttæthed. Blandt dem er den rørformede kolde plade (eller rørformede flydende kolde plade), der indlejrer kobber- eller rustfrit stålrør i riller i en aluminiumsbundplade, fastgjort ved lodning eller epoxy. Det giver bedre termisk ydeevne og levetid end grundlæggende borede plader.

3.2 rør med flydende kolde plader

Rørformede væskekølede plader (også kaldet vandkølede køleplader eller rørformede køleplader) bruger kobber- eller rustfrit stålrør som kølekanaler, indlejret i en aluminiumsbundplade og fastgjort med termisk klæbemiddel eller lodning. Deres fordele omfatter enkel fremstilling, lave omkostninger og fleksible rørlayouts (f.eks. serpentin- eller U-formede), der kan matche IGBT'ens varmefordeling. De er velegnede til industrielle drev med medium effekttæthed, omkostningsfølsomme og solcelle-invertere. Den typiske rørdiameter er 6-12 mm, og driftstrykket er normalt under 0,5 MPa.

3.3 FSW flydende kolde plader

FSW-væskekolde plader (friktionssvejsning) bruger en roterende omrører til at generere friktionsvarme, hvilket blødgør materialet og skaber en faststofsvejsning mellem dækslet og den rillede bundplade. Denne proces producerer ingen porøsitet, ingen revner og intet tilsatsmateriale, hvilket resulterer i høj svejsestyrke, fremragende tætning og ingen deformation af strømningskanalerne. FSW-kolde plader er ideelle til vekselrettere til elektriske køretøjer og omformere til jernbanetransit, hvor langsigtet pålidelighed er kritisk. Den typiske kanalbredde er 4-10 mm, og trykmodstanden kan nå 1,5-2,0 MPa.

3.4 ekstruderede flydende kolde plader

Ekstruderede flydende kolde plader (eller aluminiumskolde plader, aluminiumkøleplader) dannes ved aluminiumekstrudering ved hjælp af en dedikeret dyse til at producere multiparallelle strømningskanaler i ét trin, derefter skæres, endeforsegles og maskinbearbejdes. De vigtigste fordele er høj produktionseffektivitet og lave enhedsomkostninger med ensartede kanaldimensioner, ideelt til standardiseret produktion i store mængder. Kanalerne er dog normalt lige igennem, hvilket begrænser finneoptimering. Disse bruges i generelle invertere og elbilslademoduler, hvor effekttætheden er beskeden. Den typiske hydrauliske diameter er 2-5 mm.

3,5 loddede flydende kolde plader

Loddede flydende kolde plader (eller loddede kolde plader) fremstilles ved vakuum- eller kontrolleret atmosfærelodning af en stemplet flowkanal-bundplade til en dækplade. Dette muliggør komplekse interne finnestrukturer såsom stiftfinner, skrå finner og turbulatorer. Lodning tilbyder meget høj designfrihed, hvilket muliggør forbedret varmeoverførsel i en kompakt størrelse med god tætning og lav restspænding. Loddede flydende kolde plader er førstevalget til IGBT- og SIC-moduler med høj effektdensitet, der er meget anvendt i premium EV-hoveddrev, vindkonvertere og avancerede industrielle strømforsyninger. Kanalfunktionsstørrelser kan være så små som 1-3 mm; med stiftfinner er termisk modstand betydeligt lavere end ekstruderede eller rørtyper. Vakuumlodning er den mest pålidelige proces.

3.6 Sammenligning af termisk modstand og struktur mellem forskellige koldpladearkitekturer

For at hjælpe med det tekniske valg sammenligner tabel 1 de vigtigste termiske og strukturelle parametre for de fire IGBT-koldplader (inklusive traditionelle rør som basislinje).

Tabel 1: Termisk modstand og strukturel sammenligning af forskellige flydende kolde pladearkitekturer

4. Ydelsesoptimering: flowkanal- og mikrofinnedesign

Køleevnen i et kølesystem med kold plade afhænger stærkt af den interne strømningskanal og finnedesignet. Nuværende forskning fokuserer på følgende områder.

Finnestruktur: En undersøgelse af væskekøling til tre IGBT-moduler i et industrielt motordrev sammenlignede lige, forskudte pin-finne og skrå finner, hvilket bekræftede, at komplekse finner forbedrer konvektion. Yderligere opnåede en skråfinnet mikroskala lagdelt væskekøleplade en 3 gange stigning i varmeoverførselskoefficient, 1,4 °C reduktion i chippens peaktemperatur, 37,8 % forbedring i temperaturensartethed og >15 % reduktion i strømningsmodstand sammenlignet med en rektangulær mikrokanalkoldplade under samme strømningshastighed, hvilket muliggjorde pålidelig køling af en 800 W chip.

Topologioptimering: En undersøgelse, der anvendte bi-objektiv topologioptimering (maksimal varmeoverførsel, min. strømningsmodstand) for en IGBT-koldplade, viste, at den topologioptimerede kolde plade opnåede et 26,3 % lavere tryktab, 64,7 % lavere termisk modstand og en 16,3 % højere varmeoverførselskoefficient sammenlignet med en ligekanals koldplade.

Temperaturensartethed: Et forskerhold ved Nanjing University of Information Science & Technology foreslog en innovativ flydende koldplade med serpentinkanaler, forbedrede finner og forskudte turbulatorer. Eksperimentelle resultater viste, at en stigende kølevæskestrømningshastighed reducerede enhedens peaktemperatur med cirka 22 K, med stabil termisk ydeevne over et bestemt strømningsområde.

Afvejning mellem køling og pumpekraft: I et koldpladekølesystem forbedrer en øget flowhastighed varmeoverførslen, men øger også pumpens strømforbrug ikke-lineært. I elbiler kan et ekstra trykfald på 10 kPa koste adskillige til ti watt pumpekraft, hvilket skal tages højde for i systemets strømbudget.

5. arkitekturudvikling: fra indirekte køling til indlejret/DBC-integreret flydende koldplade

I traditionelle kølearkitekturer har IGBT-modulet en flerlagsstak af typen "chip – DBC – bundplade (Cu eller ALSic) – køleplade", hvor hvert lag tilføjer termisk modstand. Som nævnt overstiger grænsefladen termisk modstand 60 % af det samlede antal.

For at overvinde dette er der opstået en disruptiv arkitektur – en indlejret eller DBC-integreret flydende kold plade. Ideen er at integrere DBC-substratet direkte i den kolde plade ved hjælp af højtemperaturprocesser til at binde kobber og keramik (AL₂O₃ eller ALN) til en monolitisk struktur. Kølevæskekanaler placeres direkte under chippen, kun adskilt af DBC'en, hvilket dramatisk forkorter varmeledningsvejen.

Tre store fordele: (1) eliminerer bundpladen og den eksterne tim, hvilket drastisk reducerer den samlede termiske modstand; (2) kanalopløsning ned til 0,3 mm, kombineret med kobber med høj ledningsevne, opnår fremragende isotermisk ydeevne; (3) understøtter kompakte layouts med høj effektdensitet og dobbeltsidet komponentmontering. Nøglematerialeparametre for dette integrerede skema er vist i tabel 2.

Tabel 2: Nøglematerialeparametre for dbc-integreret flydende koldplade (kilde: elektronikkøling, 2025)

Denne integrationstendens stemmer overens med markedsvæksten for direkte kølede IGBT-moduler.

6. materialevalg og kølemiddelteknologi

Valg af koldplademateriale balancerer varmeledningsevne, bearbejdelighed og omkostninger. Det mest almindelige valg er aluminiumlegering 6063 med en varmeledningsevne på omkring 180-230 w/(m·k). Kobber tilbyder ~401 w/(m·k), men densiteten er tre gange så stor som aluminium, og omkostningerne er meget højere og anvendes kun i avancerede applikationer med strenge kølekrav.

Kølevæsken er en kritisk bærer af varmeoverførsel. En undersøgelse offentliggjort i Applied Thermal Engineering sammenlignede deioniseret vand, renset vand, 20% ethylenglycol-vandopløsning og HFE7100. Ved RE = 1400 var deioniseret vands samlede præstationsevalueringskriterium (PEC) 9,3%, 24,5% og 163,9% højere end henholdsvis renset vand, 20% ethylenglycol og HFE7100. RE = 1400 (strømningshastighed ~0,5-0,6 m/s) blev identificeret som det optimale driftsområde for lavt trykfald. I praktiske systemer anvendes 50% ethylenglycol-vandblanding i vid udstrækning, da den giver frostbeskyttelse og god varmeledningsevne.

7. fremstillingsprocesser og pålidelighedstest

Svejsning/forsegling af en flydende kold plade påvirker direkte den langsigtede pålidelighed. For de fire hovedtyper: rørformet bruger rørindstøbning + lodning eller presning; FSW bruger friktionssvejsning; ekstruderet bruger ekstrudering + endeforsegling; loddet bruger vakuum- eller atmosfærelodning. Vakuumlodning og FSW er de vigtigste processer for kolde plader med høj pålidelighed.

Almindelige svejsefejl omfatter porøsitet, overdreven spredning, indvendige mikrorevner, dårlig binding og blokering af strømningskanaler. For FSW og loddede koldplader skal svejsetætning og indvendig renlighed inspiceres omhyggeligt.

Fladhed er en anden nøglefaktor. Ifølge Hertz-kontaktteorien har selv makroskopisk flade overflader mikroskopiske toppe og dale; det faktiske kontaktareal er meget mindre end det nominelle areal. Afvigelser i fladhed på mikronniveau kan forårsage dramatisk stigende termisk modstand i grænsefladen. Typiske acceptkriterier for kolde pladekølesystemer inkluderer:

• Lækagetæthed: heliumlækagetest, lækage ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s eller ≤ 0,05 ml/min @ 0,5-2,0 mpa

• Trykmodstand: hydraulisk sprængprøve ≥ 3× arbejdstryk (normalt ≥ 3,0 mpa)

• planhed: ≤ 0,05 mm pr. 100 mm (samlet ≤ 0,1 mm)

• renlighed: partikler ≤ 10 mg/m²

8. Værdien af flydende kolde plader i IGBT-anvendelsesområder

Elbiler: Væskekølepladen håndterer varme fra traktionsinverteren, hvilket direkte påvirker motorens effekt. SIC-moduler har 2-3 gange effekttætheden af traditionelle IGBT'er; effektive rørformede, FSW- eller loddede væskekøleplader eliminerer effektivt lokale hotspots, hvilket forbedrer elbilers rækkevidde og pålidelighed.

Vind- og solinvertere: IGBT-moduler kører under langvarig høj belastning; kølesystemet skal have lang levetid og lav vedligeholdelse. Kolde plader giver lavere stabile forbindelsestemperaturer og mindre temperaturudsving, hvilket forbedrer pålideligheden betydeligt under barske forhold.

Jernbanetransport: elektrificering øger kølebehovet; aktiv væskekøling (pumpedrevet) giver mere præcis temperaturkontrol end naturlig konvektion eller tvungen luftkøling, hvilket forbedrer pålideligheden i ekstreme miljøer.

(Lignende køleplader til elektronik bruges også i CPU-køleplader til højtydende processorer, batterivæskekøleplader til elbilsbatterier og isolerede kølepladedesigns til højspændingsisolering.)

9. markedsudsigter og teknologitendenser

Ifølge qyresearch nåede det globale marked for IGBT-kølepladesubstrater 720 millioner i 2024 og forventes at nå 1,165 milliarder i 2031, med en stigning på 7,7 %. Inden for denne vækst er flydende kolde plader – især loddede og FSW-typer – de vigtigste drivkræfter. 17,9 % stigning for direkte væskekølede IGBT-moduler er betydeligt højere end de samlede 7,7 % for IGBT-substrater, hvilket indikerer hurtig penetration af væskekøleteknologi.

Et avanceret koncept, multi-dyse jet impingement liquid cold plate (MJILCP) til 1000W TDP, præsenteret på en IEEE-konference, viste 14,3% lavere termisk modstand og 19,3% lavere pumpekraft sammenlignet med en konventionel køleplade med fræsede kanaler. For at opnå en termisk modstand på 0,0236°C/W krævede MJILCP 48% mindre pumpekraft.

Den fremtidige udvikling fokuserer på tre retninger:

1. Dyb integration: fra indirekte køling til indlejret DBC-integration, hvilket yderligere reducerer termisk modstand.

2. Intelligent design: AI-assisteret design, topologioptimering og additiv fremstilling til brugerdefinerede flowkanaler (brugerdefineret væskekøleplade, brugerdefinerede køleplader).

3. Tilpasning til flere scenarier: skræddersyede løsninger til 800 V højspændingsplatforme, stor højde osv., muligvis inklusive flydende nitrogen-koldplade til ekstreme kølebehov.

I takt med at den lokale produktion skrider frem, og den nye energirevolution uddybes, vil flydende kolde plader udvikle sig fra at være hjælpekomponenter til at muliggøre effekttæthed og pålidelighed i IGBT'er og bredere effektelektronik.