Tản nhiệt bằng đồng nhôm dùng để làm mát IGBT công suất cao.

Các mô-đun IGBT công suất cao được sử dụng rộng rãi trong điện tử công suất, hệ thống năng lượng tái tạo, truyền động công nghiệp, hệ thống kéo, thiết bị lưu trữ năng lượng và thiết bị chuyển đổi điện áp cao. Trong quá trình hoạt động, các mô-đun IGBT tạo ra một lượng nhiệt lớn. Nếu nhiệt này không được tản nhiệt hiệu quả, nhiệt độ mối nối có thể tăng nhanh, dẫn đến giảm hiệu suất, ứng suất nhiệt, giảm công suất hoặc thậm chí hỏng mô-đun.

Đối với nhiều ứng dụng công suất cao, tản nhiệt bằng ống dẫn nhiệt thường được xem xét vì ống dẫn nhiệt có thể truyền nhiệt hiệu quả trên một khoảng cách nhất định. Tuy nhiên, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài trời, độ ẩm cao, độ cao lớn và nhiệt độ thấp, các giải pháp làm mát dựa trên ống dẫn nhiệt có thể gặp rủi ro về độ tin cậy. Chất lỏng làm việc trong ống dẫn nhiệt có thể bị đóng băng trong môi trường cực lạnh, và cấu trúc ống kín có thể bị rò rỉ hoặc suy giảm hiệu suất lâu dài.

Để giải quyết những vấn đề này, Kingka đã phát triển bộ tản nhiệt hàn đồng-nhôm dựa trên tấm đế bằng đồng, các lá tản nhiệt bằng nhôm và công nghệ liên kết bằng keo hàn chịu nhiệt cao. Cấu trúc này tránh sử dụng ống dẫn nhiệt và dựa vào dẫn nhiệt trạng thái rắn thông qua vật liệu đồng và nhôm, mang đến giải pháp làm mát IGBT ổn định và đáng tin cậy hơn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Tại sao làm mát IGBT công suất cao là một thách thức thiết kế quan trọng

Các mô-đun IGBT là các thành phần nguồn cốt lõi trong nhiều hệ thống điện. Chúng chuyển mạch điện áp cao và dòng điện cao, điều này có nghĩa là chúng tạo ra lượng nhiệt đáng kể trong quá trình hoạt động. Khi nhiệt không thể được tản ra khỏi mô-đun đủ nhanh, nhiệt độ của thiết bị sẽ tăng lên và ảnh hưởng đến cả hiệu suất và tuổi thọ.

Trong các ứng dụng thực tế, quản lý nhiệt cho IGBT không chỉ đơn thuần là giảm nhiệt độ. Khách hàng thường quan tâm đến một số vấn đề sâu xa hơn:

• Cách giảm thiểu các điểm nóng cục bộ dưới mô-đun IGBT

• Cách cải thiện khả năng tản nhiệt trên toàn bộ đế tản nhiệt

• Làm thế nào để duy trì hiệu suất làm mát ổn định trong môi trường ngoài trời?

• Cách tránh rò rỉ, đóng băng và rủi ro bảo trì

• Làm thế nào để cân bằng giữa khả năng làm mát, độ tin cậy của cấu trúc, trọng lượng và chi phí?

• Cách chế tạo bộ tản nhiệt tùy chỉnh phù hợp với không gian lắp đặt thực tế

Vì lý do này, tản nhiệt nhôm tiêu chuẩn thường không đủ cho các ứng dụng IGBT công suất cao. Cần có cấu trúc tản nhiệt tùy chỉnh đáng tin cậy hơn.

Các vấn đề thường gặp của bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt trong môi trường khắc nghiệt

Tản nhiệt bằng ống dẫn nhiệt có thể hiệu quả trong nhiều môi trường được kiểm soát. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng ngoài trời và trong điều kiện khắc nghiệt, chúng có thể tạo ra những rủi ro kỹ thuật không thể bỏ qua.

1. Nguy cơ bị đóng băng trong môi trường nhiệt độ thấp

Ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng làm việc bên trong một ống kín. Trong môi trường nhiệt độ thấp, chất lỏng bên trong này có thể bị đóng băng. Khi đóng băng xảy ra, thể tích chất lỏng có thể giãn nở và làm hỏng cấu trúc bên trong của ống dẫn nhiệt. Trong trường hợp nghiêm trọng, ống có thể bị nứt, khiến toàn bộ chức năng truyền nhiệt bị gián đoạn.

Đối với các hệ thống IGBT công suất cao được sử dụng ở vùng lạnh, nhà máy điện ngoài trời, thiết bị ở vùng cao hoặc trong điều kiện hoạt động mùa đông, đây là một vấn đề đáng lo ngại về độ tin cậy.

2. Nguy cơ rò rỉ và hỏng gioăng

Ống dẫn nhiệt hoạt động dựa trên cấu trúc kín. Nếu khu vực bịt kín bị lão hóa, nứt hoặc hư hỏng do rung động lâu dài, độ ẩm, chu kỳ nhiệt hoặc ứng suất cơ học, chất lỏng làm việc bên trong có thể bị rò rỉ. Khi rò rỉ xảy ra, ống dẫn nhiệt sẽ mất khả năng truyền nhiệt.

Đối với hệ thống làm mát thiết bị điện tử công suất, loại lỗi này có thể khó phát hiện ở giai đoạn đầu, nhưng nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và độ tin cậy của toàn hệ thống.

3. Sự suy giảm hiệu năng khi sử dụng lâu dài

Hiệu suất truyền nhiệt của ống dẫn nhiệt phụ thuộc vào sự tuần hoàn chất lỏng làm việc bên trong, cấu trúc bấc và sự chuyển pha hơi-lỏng. Trong điều kiện làm việc khắc nghiệt, chu kỳ nhiệt kéo dài và ứng suất cơ học có thể làm giảm độ ổn định hiệu suất.

Đây là lý do tại sao, đối với một số dự án làm mát IGBT trong điều kiện khắc nghiệt, bộ tản nhiệt dẫn nhiệt rắn không có chất lỏng làm việc bên trong có thể là lựa chọn đáng tin cậy hơn.

Khái niệm thiết kế tản nhiệt hàn đồng-nhôm

Tản nhiệt bằng đồng-nhôm hàn được thiết kế để giải quyết các vấn đề về độ tin cậy của hệ thống làm mát dựa trên ống dẫn nhiệt. Thay vì sử dụng tuần hoàn chất lỏng bên trong, tản nhiệt này sử dụng tấm đế bằng đồng để tản nhiệt và các lá tản nhiệt bằng nhôm để giải phóng nhiệt.

Tấm đế bằng đồng nhanh chóng hấp thụ và tản nhiệt từ mô-đun IGBT, trong khi cấu trúc cánh tản nhiệt bằng nhôm làm tăng diện tích tản nhiệt và truyền nhiệt ra không khí xung quanh.

Thiết kế này kết hợp những ưu điểm của đồng và nhôm:

• Đồng có khả năng dẫn nhiệt và tản nhiệt tuyệt vời.

• Nhôm mang lại cấu trúc nhẹ và khả năng tản nhiệt trên diện tích lớn.

• Hàn thiếc giúp cải thiện sự tiếp xúc giữa đồng và nhôm.

• Không có ống dẫn nhiệt đồng nghĩa với việc không bị đóng băng, không rò rỉ và độ tin cậy môi trường cao hơn.

Cấu trúc này đặc biệt phù hợp cho việc làm mát IGBT công suất cao, làm mát thiết bị điện tử công suất ngoài trời và các giải pháp quản lý nhiệt tùy chỉnh được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Các thông số cấu trúc cốt lõi của bộ tản nhiệt đồng-nhôm

Cấu trúc tản nhiệt được thiết kế dựa trên nguyên tắc “phân tán nhiệt + tản nhiệt hiệu quả”. Tấm đế bằng đồng xử lý lượng nhiệt tập trung từ mô-đun IGBT, trong khi các lá tản nhiệt bằng nhôm giúp tăng diện tích làm mát hiệu quả.

các thông số cấu trúc chính

Sự kết hợp các thông số này phù hợp với các ứng dụng tản nhiệt nhôm tùy chỉnh kích thước lớn, tản nhiệt đồng nhôm và tản nhiệt làm mát IGBT, đòi hỏi hiệu suất tản nhiệt ổn định và khả năng thích ứng môi trường mạnh mẽ.

Tại sao lại sử dụng tấm đế bằng đồng dày 5 mm?

Mặt đáy của mô-đun IGBT thường tạo ra nhiệt lượng tập trung. Nếu nhiệt lượng này được truyền trực tiếp đến bộ tản nhiệt bằng nhôm, có thể xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ cục bộ vì nhôm có độ dẫn nhiệt thấp hơn đồng.

Tấm đế bằng đồng dày 5 mm giúp giải quyết vấn đề này bằng cách phân tán nhiệt đều hơn trước khi nhiệt truyền vào cấu trúc cánh tản nhiệt bằng nhôm. Điều này làm giảm nguy cơ quá nhiệt cục bộ và cải thiện độ ổn định hoạt động của mô-đun IGBT.

Tấm đế bằng đồng mang lại một số ưu điểm:

• tản nhiệt tốt hơn dưới mô-đun IGBT

• chênh lệch nhiệt độ thấp hơn trên đế tản nhiệt

• giảm các điểm nóng cục bộ

• hiệu suất nhiệt tiếp xúc được cải thiện

• bảo vệ tốt hơn cho các thiết bị bán dẫn công suất cao

Đối với các ứng dụng công suất cao, tấm đế bằng đồng không chỉ là lớp dẫn nhiệt mà còn là bộ phận quan trọng giúp cải thiện độ đồng đều nhiệt độ và độ tin cậy của mô-đun.

Thiết kế cánh tản nhiệt bằng nhôm cắt gọt tinh xảo giúp tản nhiệt hiệu quả trên diện tích lớn.

Cấu trúc cánh tản nhiệt bằng nhôm được thiết kế để giải phóng nhiệt ra môi trường xung quanh. Trong giải pháp này, chiều dài cánh tản nhiệt đạt 850 mm, chiều cao là 100 mm và độ dày là 1,5 mm. Cấu trúc cánh tản nhiệt lớn này cung cấp diện tích tản nhiệt rộng, phù hợp với các tải nhiệt công suất cao.

Nhôm được lựa chọn vì nó mang lại sự cân bằng tốt giữa hiệu suất tản nhiệt, trọng lượng, chi phí và khả năng sản xuất. So với bộ tản nhiệt hoàn toàn bằng đồng, cấu trúc composite đồng-nhôm có thể giảm trọng lượng tổng thể trong khi vẫn duy trì hiệu suất tản nhiệt mạnh mẽ tại khu vực nguồn nhiệt.

Đối với loại tản nhiệt cánh mỏng này, hình dạng cánh tản nhiệt rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở nhiệt phía không khí. Chiều cao cánh tản nhiệt, khoảng cách giữa các cánh, độ dày cánh và hướng luồng không khí cần được tối ưu hóa theo điều kiện làm việc thực tế.

ưu điểm của cấu trúc vây nhôm

Điều này làm cho giải pháp phù hợp với các bộ tản nhiệt điện tử công suất, bộ tản nhiệt mô-đun IGBT, hệ thống làm mát công nghiệp và các ứng dụng quản lý nhiệt công suất cao khác.

Liên kết giao diện đồng-nhôm bằng chất hàn dạng kem ở 230°C.

Giao diện giữa đồng và nhôm là một trong những phần quan trọng nhất của toàn bộ bộ tản nhiệt. Ngay cả khi cả hai vật liệu đều có độ dẫn nhiệt tốt, sự liên kết giao diện kém có thể tạo ra điện trở nhiệt tiếp xúc cao và làm giảm hiệu quả làm mát tổng thể.

Để cải thiện chất lượng giao diện, bộ tản nhiệt này sử dụng keo hàn chịu nhiệt độ cao 230°C kết hợp với quy trình in khuôn. Keo hàn được in đều lên khu vực cần hàn thông qua khuôn thép tùy chỉnh. Sau khi căn chỉnh chính xác và gia nhiệt có kiểm soát, chất hàn sẽ tan chảy và tạo thành liên kết nhiệt và cơ học chắc chắn giữa tấm đế đồng và cấu trúc nhôm.

các bước quy trình chính

Thông qua quá trình này, giao diện đồng-nhôm có thể đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ và điện trở nhiệt thấp hơn, điều này rất cần thiết cho việc làm mát IGBT công suất cao.

Tại sao in khuôn mẫu lại quan trọng trong hàn nối

Đối với tản nhiệt đồng-nhôm kích thước lớn, không thể bôi kem hàn một cách ngẫu nhiên. Nếu lớp hàn quá mỏng, một số khu vực có thể không liên kết tốt. Nếu lớp hàn quá dày, nó có thể làm tăng điện trở nhiệt hoặc gây ra hiện tượng liên kết không đều.

Kỹ thuật in khuôn mẫu giúp giải quyết vấn đề này bằng cách kiểm soát độ dày và sự phân bố của lớp keo hàn. Điều này giúp cải thiện tính nhất quán, khả năng lặp lại và hiệu quả sản xuất.

Những lợi ích của in khuôn mẫu bao gồm:

• độ dày kem hàn đồng đều hơn

• kiểm soát tốt hơn khu vực liên kết

• giảm nguy cơ hình thành các khoảng trống cục bộ

• chất lượng tiếp xúc đồng-nhôm được cải thiện

• Khả năng lặp lại quy trình tốt hơn cho sản xuất hàng loạt

• hiệu suất nhiệt ổn định hơn

Đối với nhà sản xuất tản nhiệt theo yêu cầu, tính ổn định của quy trình cũng quan trọng không kém việc lựa chọn vật liệu. Một thiết kế tốt phải khả thi về mặt sản xuất, có thể lặp lại và đáng tin cậy trong điều kiện làm việc thực tế.

So sánh tản nhiệt đồng-nhôm với tản nhiệt ống dẫn nhiệt

Đối với việc làm mát IGBT trong điều kiện khắc nghiệt, tản nhiệt hàn bằng đồng-nhôm mang lại một số ưu điểm so với tản nhiệt ống dẫn nhiệt truyền thống.

Điều này không có nghĩa là tản nhiệt bằng ống dẫn nhiệt không hữu ích. Trong nhiều ứng dụng, ống dẫn nhiệt vẫn là một giải pháp hiệu quả. Tuy nhiên, khi mối quan tâm chính của khách hàng là hiện tượng đóng băng, rò rỉ và độ tin cậy lâu dài trong môi trường khắc nghiệt, thì tản nhiệt bằng đồng-nhôm hàn có thể phù hợp hơn.

Ưu điểm ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt

Bộ tản nhiệt composite đồng-nhôm này được thiết kế cho các ứng dụng mà độ tin cậy quan trọng hơn hiệu suất tản nhiệt ngắn hạn.

1. Không có nguy cơ hỏng ống dẫn nhiệt

Vì bộ tản nhiệt không sử dụng ống dẫn nhiệt, nên nó không phụ thuộc vào chất lỏng làm việc bên trong, sự tuần hoàn hơi nước hoặc cấu trúc ống kín. Điều này loại bỏ các rủi ro rò rỉ chất lỏng, nứt ống và lão hóa ống dẫn nhiệt.

Đối với các hệ thống IGBT cần hoạt động liên tục, đây là một lợi thế lớn.

2. Không gặp vấn đề đóng băng trong điều kiện nhiệt độ thấp

Ở những vùng lạnh hoặc trong các ứng dụng ngoài trời, chất lỏng làm việc trong ống dẫn nhiệt có thể bị đóng băng và làm hỏng ống. Bộ tản nhiệt bằng đồng-nhôm sử dụng dẫn nhiệt trạng thái rắn, do đó nó không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đóng băng chất lỏng bên trong.

Điều này khiến nó phù hợp với:

• thiết bị điện vùng cao

• tủ điện ngoài trời

• hệ thống điện gió

• hệ thống lưu trữ năng lượng

• hệ thống đường sắt và điện kéo

• thiết bị công nghiệp ở vùng lạnh

• làm mát thiết bị điện tử công suất lớn ngoài trời khắc nghiệt

3. Tản nhiệt tốt hơn dưới mô-đun IGBT

Tấm đế bằng đồng dày 5 mm giúp phân bổ nhiệt đều hơn trên toàn bộ đế tản nhiệt. Điều này làm giảm sự tập trung nhiệt độ ở bề mặt đáy của IGBT và giúp cải thiện độ tin cậy của mô-đun.

4. Độ tin cậy kết cấu cao hơn

Cấu trúc hàn đồng-nhôm có độ ổn định cơ học cao. Nó tránh được cấu trúc kín dễ vỡ của ống dẫn nhiệt và phù hợp hơn với điều kiện rung động, độ ẩm, chu kỳ nhiệt và hoạt động ngoài trời.

5. Thích hợp cho sản xuất theo yêu cầu

Quy trình in khuôn mẫu kem hàn có thể kiểm soát và lặp lại được. Nó có thể được điều chỉnh cho các kích thước tản nhiệt, diện tích liên kết, cấu trúc cánh tản nhiệt và các yêu cầu nhiệt khác nhau của khách hàng.

Khi nào nên chọn tản nhiệt hàn bằng đồng-nhôm?

Tản nhiệt bằng đồng-nhôm hàn là lựa chọn phù hợp khi khách hàng cần giải pháp làm mát đáng tin cậy cho các thiết bị điện tử công suất cao nhưng muốn tránh các rủi ro của ống dẫn nhiệt.

các kịch bản ứng dụng được đề xuất

Đối với một số ứng dụng có lưu lượng nhiệt cực cao, vẫn có thể cần đến tấm tản nhiệt bằng chất lỏng. Kingka cũng có thể cung cấp các giải pháp tấm tản nhiệt bằng chất lỏng tùy chỉnh, tấm tản nhiệt nước, tấm tản nhiệt chất lỏng FSW và tấm tản nhiệt gia công CNC khi tản nhiệt bằng không khí hoặc tản nhiệt dẫn nhiệt rắn không đủ.

Tản nhiệt bằng đồng-nhôm hay tấm làm mát bằng chất lỏng: nên chọn loại nào?

Cả tản nhiệt bằng đồng-nhôm và tấm làm mát bằng chất lỏng đều được sử dụng trong quản lý nhiệt cho các thiết bị công suất cao, nhưng chúng giải quyết các vấn đề khác nhau.

Nếu mối quan tâm chính của khách hàng là độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt, tản nhiệt hàn đồng-nhôm là một lựa chọn tốt. Nếu lưu lượng nhiệt quá cao đối với làm mát bằng không khí, tấm làm mát bằng chất lỏng có thể phù hợp hơn.

Kingka hỗ trợ các dự án làm mát IGBT tùy chỉnh như thế nào?

Kingka tập trung vào các linh kiện quản lý nhiệt tùy chỉnh cho thiết bị điện tử công suất, lưu trữ năng lượng, thiết bị công nghiệp, hệ thống LED, thiết bị viễn thông, hệ thống tự động hóa và các thiết bị điện tử công suất cao.

Các sản phẩm và dịch vụ của chúng tôi bao gồm:

• Tản nhiệt nhôm tùy chỉnh

• tản nhiệt bằng đồng

• tản nhiệt đồng-nhôm

• tản nhiệt vây cắt gọt

• tản nhiệt đùn

• ống dẫn nhiệt tản nhiệt

• Tản nhiệt làm mát IGBT

• tấm làm mát bằng chất lỏng

• tấm làm mát bằng nước

• tấm làm mát bằng chất lỏng fsw

• tấm làm mát gia công CNC

• giải pháp quản lý nhiệt tùy chỉnh

Đối với các dự án làm mát IGBT, Kingka có thể hỗ trợ thiết kế kết cấu, lựa chọn vật liệu, thiết kế cánh tản nhiệt, liên kết đồng-nhôm, tối ưu hóa quy trình hàn, gia công CNC, xử lý bề mặt và sản xuất theo yêu cầu dựa trên bản vẽ của khách hàng hoặc yêu cầu ứng dụng.

Mục tiêu của chúng tôi không chỉ là sản xuất bộ tản nhiệt, mà còn giúp khách hàng giải quyết các vấn đề tản nhiệt thực tế, bao gồm điểm nóng, không gian hạn chế, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, rủi ro về độ tin cậy và sự ổn định hiệu suất lâu dài.

Đối với các mô-đun IGBT công suất cao được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, các bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt truyền thống có thể gặp phải các rủi ro như đóng băng chất lỏng làm việc, rò rỉ, hỏng gioăng và suy giảm hiệu suất lâu dài. Những vấn đề này có thể trở nên nghiêm trọng trong các ứng dụng ngoài trời, độ ẩm cao, độ cao lớn và nhiệt độ thấp.

Tản nhiệt hàn đồng-nhôm của Kingka cung cấp một giải pháp thay thế đáng tin cậy hơn. Bằng cách sử dụng tấm đế đồng 5 mm để tản nhiệt, đế nhôm 10 mm và các vây nhôm lớn để tản nhiệt, cùng với keo hàn 230°C sử dụng công nghệ in khuôn để liên kết đồng-nhôm, giải pháp này mang lại hiệu suất tản nhiệt ổn định mà không cần dựa vào ống dẫn nhiệt.

Kết quả là một bộ tản nhiệt IGBT mạnh mẽ, dễ sản xuất và có khả năng chống chịu môi trường, phù hợp cho các ứng dụng điện tử công suất đòi hỏi cao.

Đối với khách hàng có nhu cầu về tản nhiệt tùy chỉnh, tản nhiệt đồng nhôm, tản nhiệt cánh mỏng, tấm làm mát bằng chất lỏng hoặc các giải pháp quản lý nhiệt hoàn chỉnh, Kingka có thể cung cấp hỗ trợ thiết kế và sản xuất đáng tin cậy dựa trên tải nhiệt thực tế, không gian lắp đặt, môi trường hoạt động và yêu cầu về độ tin cậy lâu dài.