2026-05-26 16:19:42
Trong xe điện, sản xuất điện năng từ năng lượng tái tạo, vận tải đường sắt và tự động hóa công nghiệp, các mô-đun IGBT đang phát triển theo hướng mật độ công suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và nhiệt độ mối nối cao hơn. Tuy nhiên, khi mật độ công suất của chip tăng lên, không gian làm mát khả dụng lại giảm nhanh chóng. Các nghiên cứu cho thấy các vấn đề về nhiệt gây ra hơn 50% lỗi mạch tích hợp; đối với điện tử công suất, khoảng 55% lỗi IGBT liên quan đến nhiệt độ. Làm mát bằng không khí truyền thống có hệ số truyền nhiệt đối lưu hạn chế (khoảng 37 W/cm² ở mức tốt nhất) và thể tích cồng kềnh, khiến nó không phù hợp với các mô-đun công suất thế hệ tiếp theo. Công nghệ tấm làm mát bằng chất lỏng đã nổi lên như một giải pháp cốt lõi cho việc quản lý nhiệt độ chip công suất cao.
Mô-đun IGBT tạo ra lượng nhiệt đáng kể. Đối với bộ biến tần 100 kW có hiệu suất 98%, khoảng 2 kW nhiệt phải được hệ thống quản lý nhiệt loại bỏ. Hơn nữa, sự phân bố nhiệt không đồng đều; các điểm nóng cục bộ trên bề mặt chip có thể nóng hơn nhiều so với nhiệt độ trung bình, và những điểm nóng này hạn chế hiệu suất hoạt động và tuổi thọ.
Nhiệt độ có mối tương quan chặt chẽ với sự hỏng hóc của IGBT. Một nghiên cứu thống kê về sự cố tuabin gió trên 23 quốc gia từ năm 2003 đến năm 2017 cho thấy sự hỏng hóc của mô-đun IGBT chiếm 22% thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch của bộ chuyển đổi – một trong những bộ phận dễ hỏng nhất trong hệ thống điện gió. Việc tăng/giảm tốc thường xuyên ở các phương tiện gây ra chu kỳ công suất và dao động nhiệt độ nghiêm trọng, dẫn đến mỏi dây dẫn, bong tróc mối hàn và các hỏng hóc do mỏi nhiệt khác. Hiện tượng quá nhiệt có thể gây mất điện ở xe điện, một mối nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn.
Xét về điện trở nhiệt, tản nhiệt của IGBT là một vấn đề điện trở nhiệt nhiều lớp. Điện trở nhiệt giao diện chiếm hơn 60% tổng điện trở, trở thành nút thắt cổ chai chính. Trong điện trở từ mối nối đến vỏ, chất nền gốm DBC (đồng liên kết trực tiếp) là yếu tố đóng góp chính (hơn 75%). Làm mát bằng không khí truyền thống gặp phải ba hạn chế chính: hệ số truyền nhiệt thấp, khả năng loại bỏ điểm nóng cục bộ kém và thể tích hệ thống lớn, mâu thuẫn với việc thu nhỏ hệ thống.
Tấm làm mát bằng chất lỏng (còn được gọi là tấm tản nhiệt, tấm làm mát bằng chất lỏng hoặc tấm làm mát bằng nước) sử dụng đối lưu chất lỏng cưỡng bức để loại bỏ nhiệt. Nguyên lý hoạt động rất đơn giản: nhiệt từ mô-đun IGBT truyền qua giao diện nhiệt đến đế tấm làm mát, sau đó được dẫn đi bởi chất làm mát chảy qua các kênh bên trong; chất làm mát đã được làm nóng tuần hoàn đến bộ trao đổi nhiệt, nguội đi và quay trở lại.
Dựa trên quy trình sản xuất và hình dạng cấu trúc, hiện nay trong kỹ thuật có bốn loại tấm tản nhiệt IGBT chính được sử dụng.
Các thiết kế truyền thống bao gồm các loại khoan, lắp ráp, hàn và dạng ống. Chúng có quy trình đơn giản hơn, chi phí thấp hơn và phù hợp với các mô-đun IGBT có mật độ công suất thấp đến trung bình. Trong số đó, tấm tản nhiệt dạng ống (hoặc tấm tản nhiệt chất lỏng dạng ống) nhúng các ống đồng hoặc thép không gỉ vào các rãnh của tấm đế bằng nhôm, được cố định bằng phương pháp hàn hoặc epoxy. Nó mang lại hiệu suất tản nhiệt và tuổi thọ tốt hơn so với các tấm khoan cơ bản.
Tấm tản nhiệt dạng ống (còn gọi là tấm tản nhiệt làm mát bằng nước hoặc tấm tản nhiệt dạng ống) sử dụng các ống đồng hoặc thép không gỉ làm kênh dẫn chất làm mát, được nhúng vào một tấm đế bằng nhôm và cố định bằng chất kết dính nhiệt hoặc hàn. Ưu điểm của chúng bao gồm quy trình sản xuất đơn giản, chi phí thấp và bố trí ống linh hoạt (ví dụ: hình zigzag hoặc hình chữ U) có thể phù hợp với sự phân bố nhiệt của IGBT. Chúng thích hợp cho các hệ thống truyền động công nghiệp có mật độ công suất trung bình, nhạy cảm về chi phí và các bộ biến tần năng lượng mặt trời. Đường kính ống điển hình là 6–12 mm, và áp suất hoạt động thường dưới 0,5 MPa.
Các tấm làm mát bằng chất lỏng FSW (hàn ma sát khuấy) sử dụng một chốt khuấy quay để tạo ra nhiệt ma sát, làm dẻo vật liệu và tạo ra mối hàn trạng thái rắn giữa nắp và tấm đế có rãnh. Quá trình này không tạo ra lỗ rỗng, không nứt và không cần kim loại phụ, dẫn đến độ bền mối hàn cao, khả năng làm kín tuyệt vời và không làm biến dạng kênh dẫn dòng chảy. Các tấm làm mát FSW lý tưởng cho bộ biến tần kéo xe điện và bộ chuyển đổi vận tải đường sắt, nơi độ tin cậy lâu dài là rất quan trọng. Chiều rộng kênh điển hình là 4–10 mm, và khả năng chịu áp suất có thể đạt 1,5–2,0 MPa.
Các tấm làm mát bằng chất lỏng đùn (hay tấm làm mát bằng nhôm, tấm tản nhiệt bằng nhôm) được tạo hình bằng phương pháp đùn nhôm sử dụng khuôn chuyên dụng để tạo ra nhiều kênh dẫn dòng song song trong một bước, sau đó được cắt, bịt kín hai đầu và gia công. Lợi ích chính là hiệu quả sản xuất cao và chi phí đơn vị thấp, với kích thước kênh nhất quán, lý tưởng cho sản xuất tiêu chuẩn hóa số lượng lớn. Tuy nhiên, các kênh thường là kênh thẳng, hạn chế việc tối ưu hóa cánh tản nhiệt. Chúng được sử dụng trong các bộ biến tần đa năng và các mô-đun sạc xe điện nơi mật độ công suất ở mức vừa phải. Đường kính thủy lực điển hình là 2–5 mm.
Tấm tản nhiệt chất lỏng hàn (hay tấm tản nhiệt hàn) được chế tạo bằng cách hàn chân không hoặc hàn trong môi trường được kiểm soát một tấm đế có kênh dẫn dòng được dập khuôn vào một tấm phủ. Điều này cho phép tạo ra các cấu trúc vây bên trong phức tạp như vây kim, vây xiên và bộ tạo xoáy. Hàn mang lại sự tự do thiết kế rất cao, cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn trong kích thước nhỏ gọn, với khả năng làm kín tốt và ứng suất dư thấp. Tấm tản nhiệt chất lỏng hàn là lựa chọn hàng đầu cho các mô-đun IGBT và SIC mật độ công suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các động cơ chính của xe điện cao cấp, bộ chuyển đổi gió và nguồn điện công nghiệp cao cấp. Kích thước đặc trưng của kênh có thể nhỏ đến 1–3 mm; với vây kim, điện trở nhiệt thấp hơn đáng kể so với các loại vây đùn hoặc vây ống. Hàn chân không là quy trình đáng tin cậy nhất.
Để hỗ trợ việc lựa chọn kỹ thuật, bảng 1 so sánh các thông số nhiệt và cấu trúc chính của bốn tấm làm mát IGBT (bao gồm cả loại ống truyền thống làm cơ sở so sánh).
Bảng 1: So sánh điện trở nhiệt và cấu trúc của các kiểu tấm làm mát bằng chất lỏng khác nhau
| architecture type | relative thermal resistance (baseline = tubed) | relative pressure drop (baseline = tubed) | internal channel / fin features | manufacturing process | suitable power density level | typical applications |
|---|---|---|---|---|---|---|
| có ống (ống) (truyền thống) | 1.00 | 1.00 | Ống đồng/thép không gỉ được nhúng trong nhôm, rãnh tròn/hình bầu dục, không có vây tản nhiệt bên trong. | nhúng ống + keo nhiệt/hàn | thấp đến trung bình thấp | Biến tần thông dụng, biến tần năng lượng mặt trời, nguồn điện công nghiệp giá rẻ |
| đùn | 0,75–0,85 | 1,10–1,30 | Nhiều kênh thẳng hình chữ nhật song song, thành kênh đóng vai trò như các vây thẳng, chiều cao vây bị giới hạn. | Ép đùn nhôm + bịt kín đầu + gia công | mức trung bình thấp đến trung bình | mô-đun sạc, bộ biến tần công suất trung bình, bộ làm mát tiêu chuẩn |
| fsw | 0,55–0,70 | 1,20–1,50 | Có thể thiết kế các kênh phức tạp (hình zigzag, song song nhiều đường dẫn), chiều rộng 4–10 mm, có thể bổ sung thêm bộ phận tạo dòng xoáy. | rãnh kênh được gia công + hàn nắp FSW | trung bình đến trung bình cao | Biến tần động cơ chính xe điện, bộ chuyển đổi cho hệ thống vận tải đường sắt |
| hàn | 0,35–0,50 | 1,50–2,50 | Các vây tản nhiệt phức tạp (hình kim, xiên, vi kênh), kích thước đặc trưng 1–3 mm, diện tích trao đổi nhiệt lớn. | tấm tản nhiệt dập/khắc + hàn chân không/trong môi trường khí quyển | cao đến cực cao | bộ truyền động xe điện cao cấp, bộ chuyển đổi năng lượng gió, bộ truyền động servo cao cấp |
4. Tối ưu hóa hiệu suất: thiết kế kênh dẫn dòng và vây siêu nhỏHiệu suất làm mát của hệ thống làm mát bằng tấm tản nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế kênh dẫn dòng bên trong và các cánh tản nhiệt. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các lĩnh vực sau:
Cấu trúc cánh tản nhiệt: Một nghiên cứu về làm mát bằng chất lỏng cho ba mô-đun IGBT trong bộ điều khiển động cơ công nghiệp đã so sánh các loại cánh tản nhiệt thẳng, cánh tản nhiệt xếp so le và cánh tản nhiệt xiên, khẳng định rằng các cánh tản nhiệt phức tạp giúp tăng cường đối lưu. Hơn nữa, một tấm làm mát bằng chất lỏng dạng lớp vi mô với cánh tản nhiệt xiên đã đạt được hệ số truyền nhiệt tăng gấp 3 lần, nhiệt độ đỉnh của chip giảm 1,4°C, độ đồng đều nhiệt độ được cải thiện 37,8% và điện trở dòng chảy giảm hơn 15% so với tấm làm mát vi kênh hình chữ nhật ở cùng tốc độ dòng chảy, cho phép làm mát đáng tin cậy cho chip 800W.
Tối ưu hóa cấu trúc: Một nghiên cứu sử dụng tối ưu hóa cấu trúc đa mục tiêu (truyền nhiệt tối đa, điện trở dòng chảy tối thiểu) cho tấm làm mát IGBT cho thấy rằng so với tấm làm mát kênh thẳng, tấm làm mát được tối ưu hóa cấu trúc đạt được mức giảm áp suất thấp hơn 26,3%, điện trở nhiệt thấp hơn 64,7% và hệ số truyền nhiệt cao hơn 16,3%.
Độ đồng đều nhiệt độ: Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Thông tin Nam Kinh đã đề xuất một tấm làm mát bằng chất lỏng cải tiến với các kênh hình zigzag, các vây tản nhiệt được gia cường và các bộ phận tạo dòng xoáy so le. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc tăng lưu lượng chất làm mát đã làm giảm nhiệt độ đỉnh của thiết bị khoảng 22 K, với hiệu suất nhiệt ổn định trong một phạm vi lưu lượng nhất định.
Sự đánh đổi giữa công suất làm mát và công suất bơm: trong hệ thống làm mát bằng tấm lạnh, tăng lưu lượng dòng chảy giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt nhưng cũng làm tăng công suất tiêu thụ của bơm một cách phi tuyến tính. Trong xe điện, mức giảm áp suất thêm 10 kPa có thể tiêu tốn từ vài đến hàng chục watt công suất bơm, điều này cần được tính đến trong ngân sách năng lượng của hệ thống.
5. Sự phát triển kiến trúc: từ làm mát gián tiếp đến tấm làm mát bằng chất lỏng tích hợp/nhúng DBCTrong các kiến trúc làm mát truyền thống, mô-đun IGBT có cấu trúc nhiều lớp "chip – dbc – tấm đế (đồng hoặc alsic) – tấm làm mát", mỗi lớp đều góp phần tạo nên điện trở nhiệt. Như đã lưu ý, điện trở nhiệt giao diện chiếm hơn 60% tổng điện trở.
Để khắc phục điều này, một kiến trúc đột phá – tấm làm mát bằng chất lỏng tích hợp hoặc nhúng DBC – đã xuất hiện. Ý tưởng là tích hợp trực tiếp chất nền DBC vào tấm làm mát, sử dụng các quy trình nhiệt độ cao để liên kết đồng và gốm (Al₂O₃ hoặc AlN) thành một cấu trúc nguyên khối. Các kênh làm mát được đặt ngay bên dưới chip, chỉ được ngăn cách bởi DBC, giúp rút ngắn đáng kể đường dẫn truyền nhiệt.
Ba ưu điểm chính: (1) loại bỏ tấm đế và lớp cách nhiệt bên ngoài, giảm đáng kể tổng điện trở nhiệt; (2) độ phân giải kênh xuống đến 0,3 mm, kết hợp với đồng có độ dẫn điện cao, đạt được hiệu suất đẳng nhiệt tuyệt vời; (3) hỗ trợ bố cục nhỏ gọn mật độ công suất cao và lắp đặt linh kiện hai mặt. Các thông số vật liệu chính cho sơ đồ tích hợp này được hiển thị trong bảng 2.
Bảng 2: Các thông số vật liệu chính cho tấm làm mát bằng chất lỏng tích hợp dbc (Nguồn: Làm mát điện tử, 2025)
| material layer | common materials | thermal conductivity (w/m·k) | cte (ppm/°c) |
|---|---|---|---|
| chip bán dẫn | sic | 375 | 4.0 |
| kết nối | màng hàn ausn / màng thiêu kết ag | 50 / 200 | 15,9 / 18,9 |
| vật liệu cách nhiệt gốm | al₂o₃ / aln | 35 / 170–200 | 6,5 / 4,2–5,7 |
| Thân tấm tản nhiệt | đồng (với) | 360 | 16.7 |
Xu hướng tích hợp này phù hợp với sự tăng trưởng thị trường của các mô-đun IGBT làm mát trực tiếp.
Việc lựa chọn vật liệu tấm tản nhiệt cần cân bằng giữa độ dẫn nhiệt, khả năng gia công và chi phí. Lựa chọn phổ biến nhất là hợp kim nhôm 6063, với độ dẫn nhiệt khoảng 180–230 W/(m·k). Đồng có độ dẫn nhiệt khoảng 401 W/(m·k) nhưng mật độ gấp ba lần so với nhôm, và chi phí cao hơn nhiều, chỉ được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp với yêu cầu làm mát khắt khe.
Chất làm mát là chất dẫn nhiệt quan trọng. Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Thermal Engineering đã so sánh nước khử ion, nước tinh khiết, dung dịch ethylene glycol-nước 20% và HFE7100. Ở hệ số làm mát RE = 1400, tiêu chí đánh giá hiệu suất tổng thể (PEC) của nước khử ion cao hơn lần lượt 9,3%, 24,5% và 163,9% so với nước tinh khiết, dung dịch ethylene glycol 20% và HFE7100. RE = 1400 (tốc độ dòng chảy ~0,5–0,6 m/s) được xác định là phạm vi hoạt động tối ưu để giảm thiểu tổn thất áp suất. Trong các hệ thống thực tế, hỗn hợp ethylene glycol-nước 50% được sử dụng rộng rãi, mang lại khả năng chống đóng băng và dẫn nhiệt tốt.
7. Quy trình sản xuất và kiểm tra độ tin cậyViệc hàn/niêm phong tấm làm mát dạng lỏng ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy lâu dài. Có bốn loại chính: loại ống sử dụng phương pháp nhúng ống + hàn thiếc hoặc ép; loại hàn ma sát khuấy (FSW) sử dụng phương pháp hàn ma sát khuấy; loại đùn sử dụng phương pháp đùn + niêm phong đầu; loại hàn thiếc sử dụng phương pháp hàn thiếc trong chân không hoặc trong môi trường khí quyển. Hàn thiếc trong chân không và hàn ma sát khuấy (FSW) là các quy trình chính để sản xuất tấm làm mát có độ tin cậy cao.
Các khuyết tật hàn thường gặp bao gồm rỗ khí, độ lan rộng quá mức, các vết nứt nhỏ bên trong, liên kết kém và tắc nghẽn kênh dẫn dòng. Đối với các tấm nguội được hàn bằng phương pháp FWSW và hàn đồng, việc bịt kín mối hàn và độ sạch bên trong phải được kiểm tra cẩn thận.
Độ phẳng là một yếu tố quan trọng khác. Theo lý thuyết tiếp xúc Hertz, ngay cả các bề mặt phẳng ở cấp độ vĩ mô cũng có các đỉnh và thung lũng ở cấp độ vi mô; diện tích tiếp xúc thực tế nhỏ hơn nhiều so với diện tích danh nghĩa. Sai lệch độ phẳng ở cấp độ vi mô có thể khiến điện trở nhiệt giao diện tăng lên đáng kể. Các tiêu chí chấp nhận điển hình cho hệ thống làm mát bằng tấm lạnh bao gồm:
Độ kín: thử nghiệm rò rỉ khí heli, rò rỉ ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s hoặc ≤ 0,05 ml/phút ở áp suất 0,5–2,0 mpa
Khả năng chịu áp suất: thử nghiệm nổ thủy lực ≥ 3 lần áp suất làm việc (thường ≥ 3,0 mpa)
Độ phẳng: ≤ 0,05 mm trên 100 mm (tổng thể ≤ 0,1 mm)
Độ sạch: hạt bụi ≤ 10 mg/m²
Xe điện: Tấm làm mát bằng chất lỏng xử lý nhiệt từ bộ biến tần kéo, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất đầu ra của động cơ. Mô-đun SIC có mật độ công suất gấp 2-3 lần so với IGBT truyền thống; các tấm làm mát bằng chất lỏng dạng ống, hàn ma sát hoặc hàn nhiệt hiệu quả giúp loại bỏ các điểm nóng cục bộ, cải thiện phạm vi hoạt động và độ tin cậy của xe điện.
Biến tần gió và mặt trời: các mô-đun IGBT hoạt động dưới tải trọng cao trong thời gian dài; hệ thống làm mát phải có tuổi thọ cao và ít cần bảo trì. Tấm làm mát cung cấp nhiệt độ mối nối ổn định thấp hơn và dao động nhiệt độ nhỏ hơn, cải thiện đáng kể độ tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt.
Vận tải đường sắt: việc điện khí hóa làm tăng nhu cầu làm mát; hệ thống làm mát bằng chất lỏng chủ động (bơm) cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn so với đối lưu tự nhiên hoặc làm mát bằng không khí cưỡng bức, giúp tăng độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.
(Các tấm tản nhiệt tương tự dành cho thiết bị điện tử cũng được sử dụng trong tấm tản nhiệt CPU cho bộ xử lý hiệu năng cao, tấm làm mát bằng chất lỏng cho bộ pin xe điện và các thiết kế tấm làm mát cách điện cho hệ thống cách ly điện áp cao.)
Theo QYResearch, thị trường chất nền tản nhiệt IGBT toàn cầu đã đạt mức... Thị trường đạt 720 triệu chiếc vào năm 2024 và dự kiến sẽ đạt 1,165 tỷ chiếc vào năm 2031, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 7,7%. Trong sự tăng trưởng này, các tấm tản nhiệt bằng chất lỏng – đặc biệt là các loại hàn và hàn ma sát khuấy (FSW) – là động lực chính. Tốc độ tăng trưởng kép hàng năm 17,9% đối với các mô-đun IGBT làm mát bằng chất lỏng trực tiếp cao hơn đáng kể so với tốc độ tăng trưởng chung 7,7% của các chất nền IGBT, cho thấy sự thâm nhập nhanh chóng của công nghệ làm mát bằng chất lỏng.
Một khái niệm tiên tiến, tấm làm mát bằng chất lỏng phun tia đa vòi (mjilcp) cho công suất tiêu thụ nhiệt (TDP) 1000W, được trình bày tại hội nghị IEEE, cho thấy điện trở nhiệt thấp hơn 14,3% và công suất bơm thấp hơn 19,3% so với tấm làm mát kênh cắt thông thường. Để đạt được điện trở nhiệt 0,0236°C/W, mjilcp yêu cầu công suất bơm ít hơn 48%.
Sự phát triển trong tương lai tập trung vào ba hướng:
Tích hợp sâu: từ làm mát gián tiếp đến tích hợp dbc nhúng, giảm thiểu hơn nữa điện trở nhiệt.
Thiết kế thông minh: thiết kế hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo, tối ưu hóa cấu trúc và sản xuất bồi đắp cho các kênh dẫn dòng tùy chỉnh (tấm làm mát chất lỏng tùy chỉnh, tấm làm mát tùy chỉnh).
Khả năng thích ứng đa kịch bản: các giải pháp tùy chỉnh cho nền tảng điện áp cao 800V, độ cao lớn, v.v., có thể bao gồm tấm làm mát bằng nitơ lỏng cho các nhu cầu làm mát cực độ.
Khi ngành sản xuất trong nước phát triển và cuộc cách mạng năng lượng mới ngày càng sâu rộng, các tấm làm mát bằng chất lỏng sẽ phát triển từ các thành phần phụ trợ thành các yếu tố cốt lõi giúp tăng mật độ công suất và độ tin cậy trong IGBT và các thiết bị điện tử công suất rộng hơn.
Công ty TNHH Công nghiệp Kingka Tech
Chúng tôi chuyên về tản nhiệt, tấm làm mát bằng chất lỏng, gia công CNC chính xác và các sản phẩm của chúng tôi được sử dụng rộng rãi trong ngành viễn thông, hàng không vũ trụ, ô tô, điều khiển công nghiệp, điện tử công suất, thiết bị y tế, điện tử an ninh, chiếu sáng LED và tiêu dùng đa phương tiện.
Địa chỉ:
Làng mới Đại Long, thị trấn Xie Gang, thành phố Đông Quan, tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc 523598
e-mail:
điện thoại:
+86 137 1244 4018
