2026-05-26 16:20:30
בכלי רכב חשמליים, ייצור חשמל מאנרגיה מתחדשת, תחבורה ציבורית ברכבות ואוטומציה תעשייתית, מודולי IGBT מתפתחים לעבר צפיפות הספק גבוהה יותר, שטח קטן יותר וטמפרטורות צומת גבוהות יותר. עם זאת, ככל שצפיפות ההספק של השבב עולה, שטח הקירור הזמין מצטמצם במהירות. מחקרים מראים שבעיות תרמיות גורמות ליותר מ-50% מכשלים במעגלים משולבים; עבור אלקטרוניקה להספק, כ-55% מכשלים ב-IGBT קשורים לטמפרטורה. קירור אוויר מסורתי בעל מקדם העברת חום הסעה מוגבל (כ-37 וואט/סמ"ר במקרה הטוב) ונפח גדול, מה שהופך אותו ללא הולם עבור מודולי הספק מהדור הבא. טכנולוגיית לוחות קור נוזליים התפתחה כפתרון מרכזי לניהול תרמי של שבבים בהספק גבוה.
מודול IGBT מייצר חום משמעותי. עבור ממיר מתח של 100 קילוואט עם יעילות של 98%, מערכת ניהול התרמי חייבת להסיר כ-2 קילוואט של חום. יתר על כן, פיזור החום אינו אחיד; נקודות חמות מקומיות על פני השבב יכולות להיות חמות בהרבה מהטמפרטורה הממוצעת, ונקודות חמות אלו מגבילות את הביצועים הדינמיים ואת חיי השירות.
טמפרטורה נמצאת בקורלציה חזקה עם כשל בטורבינות IGBT. מחקר סטטיסטי של כשלים בטורבינות רוח ב-23 מדינות בין השנים 2003 ו-2017 הראה שכשל במודול IGBT היווה 22% מזמן ההשבתה הלא מתוכנן של הממיר - אחד הרכיבים המועדים ביותר לכשלים במערכות רוח. האצה/האטה תכופה בכלי רכב גורמת למחזורי חשמל חמורים ולתנודות טמפרטורה, מה שמוביל לעייפות חוטי החיבור, התפרקות הלחמה וכשלים אחרים עקב עייפות תרמית. בריחה תרמית עלולה לגרום לאובדן חשמל בכלי רכב חשמליים, שהוא סכנה בטיחותית חמורה.
מנקודת מבט של התנגדות תרמית, פיזור חום של IGBT הוא בעיית התנגדות תרמית רב-שכבתית בסדרה. התנגדות תרמית בממשק מהווה יותר מ-60% מהסך הכל, מה שהופך אותה לצוואר הבקבוק העיקרי. בתוך ההתנגדות בין הצומת למארז, מצע קרמי מסוג DBC (נחושת מחוברת ישירות) הוא התורם הדומיננטי (מעל 75%). קירור אוויר מסורתי סובל משלוש מגבלות עיקריות: מקדם העברת חום נמוך, יכולת ירודה לחסל נקודות חמות מקומיות ונפח מערכת גדול, המתנגש עם מזעור המערכת.
לוחית קרה נוזלית (הנקראת גם לוחית קירור, לוחית קירור נוזלית או לוחית קירור מים) משתמשת בהסעת נוזלים מאולצת כדי להסיר חום. עקרון הפעולה פשוט: חום ממודול ה-IGBT עובר דרך ממשק תרמי לבסיס לוחית הקרה, ואז נישא על ידי נוזל הקירור הזורם דרך תעלות פנימיות; נוזל הקירור המחומם זורם למחליף חום, מתקרר וחוזר.
בהתבסס על תהליכי ייצור וצורות מבניות, ארבעה סוגי פלטות קרים IGBT נפוצים משמשים כיום בהנדסה.
עיצובים מסורתיים כוללים סוגים קדוחים, מורכבים, מרותכים וסוגים עם צינורות. אלו בעלי עיבוד פשוט יותר, עלות נמוכה יותר, והם מתאימים למודולי IGBT בעלי צפיפות הספק נמוכה עד בינונית. ביניהם, לוח קר עם צינורות (או לוח קר נוזלי עם צינורות) מטמיע צינורות נחושת או נירוסטה בחריצים של לוח בסיס אלומיניום, המקובעים באמצעות הלחמה או אפוקסי. הוא מציע ביצועים תרמיים וחיי שירות טובים יותר מאשר לוחות קדוחים בסיסיים.
פלטות צינוריות קרים נוזליות (הנקראות גם פלטה קרה מקוררת במים או פלטה קרה עם צינורות) משתמשות בצינורות נחושת או נירוסטה כתעלות קירור, המוטמעות בפלטה בסיסית מאלומיניום ומקובעות באמצעות דבק תרמי או הלחמה. יתרונותיהן כוללות ייצור פשוט, עלות נמוכה ותצורות צינורות גמישות (למשל, בצורת סרפנטיין או בצורת U) שיכולות להתאים לפיזור החום של ה-IGBT. הן מתאימות להנעות תעשייתיות בעלות צפיפות הספק בינונית, רגישות לעלות וממירי שמש. קוטר הצינור הטיפוסי הוא 6-12 מ"מ, ולחץ ההפעלה הוא בדרך כלל מתחת ל-0.5 מגה-פסקל.
פלטות קור נוזלי FSW (ריתוך בחיכוך) משתמשות בסיכת ערבוב מסתובבת כדי לייצר חום חיכוך, תוך הפיכת החומר לפלסטי ויצירת ריתוך במצב מוצק בין הכיסוי ללוח הבסיס המחורץ. תהליך זה אינו מייצר נקבוביות, סדקים ואין מתכת מילוי, וכתוצאה מכך חוזק ריתוך גבוה, איטום מעולה ואין עיוות תעלת זרימה. פלטות קור FSW אידיאליות עבור ממירים לרכב חשמלי וממירי רכבת ברכבת שבהם אמינות לטווח ארוך היא קריטית. רוחב התעלה האופייני הוא 4-10 מ"מ, ועמידות הלחץ יכולה להגיע ל-1.5-2.0 מגה-פסקל.
לוחות נוזלים קרים מוחצנים (או לוח אלומיניום קר, לוח קירור אלומיניום) נוצרים על ידי חילוץ אלומיניום באמצעות תבנית ייעודית לייצור תעלות זרימה רב-מקביליות בשלב אחד, לאחר מכן נחתכים, אטומים בקצוות ומעובדים במכונה. היתרונות העיקריים הם יעילות ייצור גבוהה ועלות יחידה נמוכה, עם מידות תעלה עקביות, אידיאליות לייצור סטנדרטי בנפח גבוה. עם זאת, התעלות הן בדרך כלל ישרות, מה שמגביל את אופטימיזציית הסנפירים. אלה משמשים בממירים למטרות כלליות ומודולי טעינה לרכבים חשמליים שבהם צפיפות ההספק צנועה. קוטר הידראולי טיפוסי הוא 2-5 מ"מ.
לוחות נוזלים קרים מולחמים (או לוחות קרים מולחמים) מיוצרים על ידי הלחמת ואקום או הלחמת אטמוספרה מבוקרת של לוח בסיס של תעלת זרימה מוטבעת ללוח כיסוי. זה מאפשר מבני סנפירים פנימיים מורכבים כגון סנפירי פינים, סנפירים אלכסוניים וטורבולטורים. הלחמת אנרגיה מציעה חופש עיצובי גבוה מאוד, ומאפשרת העברת חום משופרת בגודל קומפקטי, עם איטום טוב ומאמץ שיורי נמוך. לוחות נוזלים קרים מולחמים הם הבחירה הראשונה עבור מודולי IGBT ו-SIC בצפיפות הספק גבוהה, הנמצאים בשימוש נרחב בהנעות ראשיות של EV פרימיום, ממירים לרוח וספקי כוח תעשייתיים מתקדמים. גדלי תכונות התעלות יכולים להיות קטנים עד 1-3 מ"מ; עם סנפירי פינים, ההתנגדות התרמית נמוכה משמעותית מסוגים אקסטרודיים או צינורות. הלחמת ואקום היא התהליך האמין ביותר.
כדי לסייע בבחירה הנדסית, טבלה 1 משווה פרמטרים תרמיים ומבניים מרכזיים של ארבעת לוחות ה-IGBT הקרים (כולל צינורות מסורתיים כבסיס).
טבלה 1: התנגדות תרמית והשוואה מבנית של ארכיטקטורות שונות של לוחות קור נוזליים
| architecture type | relative thermal resistance (baseline = tubed) | relative pressure drop (baseline = tubed) | internal channel / fin features | manufacturing process | suitable power density level | typical applications |
|---|---|---|---|---|---|---|
| צינורות (צינור) (מסורתי) | 1.00 | 1.00 | צינור נחושת/נירוסטה משובץ באל, תעלה עגולה/אליפסה, ללא סנפירים פנימיים | הטבעת צינורות + דבק תרמי/הלחמה | נמוך עד בינוני-נמוך | ממירים כלליים, ממירים סולאריים, חשמל תעשייתי בעלות נמוכה |
| אקסטרוד | 0.75–0.85 | 1.10–1.30 | מספר תעלות מלבניות ישרות מקבילות, דפנות התעלה פועלות כסנפירים ישרים, גובה הסנפירים מוגבל | שחול + איטום קצוות + עיבוד שבבי | בינוני-נמוך עד בינוני | מודולי טעינה, ממירים בעלי הספק בינוני, מקררים סטנדרטיים |
| חופש מידע | 0.55–0.70 | 1.20–1.50 | תעלות מורכבות (סרפנטיין, מקבילות מרובות מעברים) אפשריות, רוחב 4-10 מ"מ, ניתן להוסיף טורבולטורים | חריצי תעלה מעובדים + ריתוך כיסוי חופש מידע | בינוני עד בינוני-גבוה | ממירים ראשיים לרכב חשמלי, ממירים לתחבורה ציבורית ברכבת |
| מולחם | 0.35–0.50 | 1.50–2.50 | סנפירים מורכבים (פין, אלכסוני, מיקרו-תעלות), גודל מאפיין 1-3 מ"מ, שטח חילופי חום גדול | לוחית סנפיר מוטבעת/חרוטה + הלחמת ואקום/אטמוספרה | גבוה עד גבוה במיוחד | מנועי חשמל ביתיים פרימיום, ממירים לרכבי רוח, מנועי סרוו יוקרתיים |
4. אופטימיזציה של ביצועים: תעלת זרימה ותכנון מיקרו-סנפירביצועי הקירור של מערכת קירור עם לוחות קרים תלויים במידה רבה בתעלת הזרימה הפנימית ובתכנון הסנפירים. המחקר הנוכחי מתמקד בתחומים הבאים.
מבנה סנפירים: מחקר על קירור נוזלים עבור שלושה מודולי IGBT בהנעת מנוע תעשייתית השווה סנפירים ישרים, סנפירי פינים מדורגים וסנפירים אלכסוניים, ואישר שסנפירים מורכבים משפרים את ההסעה. יתר על כן, לוח קירור נוזלים בעל זרימה שכבתית בקנה מידה מיקרוסקופי בעל סנפיר אלכסוני השיג עלייה של פי 3 במקדם העברת החום, הפחתה של 1.4 מעלות צלזיוס בטמפרטורת שיא השבב, שיפור של 37.8% באחידות הטמפרטורה והפחתה של >15% בהתנגדות הזרימה בהשוואה ללוח קר מלבני בעל תעלות מיקרו תחת אותו קצב זרימה, מה שאפשר קירור אמין של שבב 800 וואט.
אופטימיזציה של טופולוגיה: מחקר שהשתמש באופטימיזציה של טופולוגיה דו-אובייקטיבית (העברת חום מקסימלית, התנגדות זרימה מינימלית) עבור לוחית קרה מסוג IGBT הראה כי בהשוואה ללוחית קרה בעלת תעלה ישרה, לוחית הקרה המותאמת לטופולוגיה השיגה ירידת לחץ נמוכה יותר ב-26.3%, התנגדות תרמית נמוכה יותר ב-64.7% ומקדם העברת חום גבוה יותר ב-16.3%.
אחידות טמפרטורה: צוות מחקר באוניברסיטת נאנג'ינג למדעי המידע והטכנולוגיה הציע לוחית נוזלית קרה חדשנית עם תעלות מתפתלות, סנפירים משופרים וטורבולטורים מדורגים. תוצאות ניסוייות הראו כי הגדלת קצב זרימת נוזל הקירור הפחיתה את טמפרטורת השיא של המכשיר בכ-22 קילו-ג'אול, עם ביצועים תרמיים יציבים בטווח זרימה מסוים.
פשרה בין קירור להספק שאיבה: במערכת קירור עם לוחות קרים, הגדלת קצב הזרימה משפרת את העברת החום אך גם מגדילה את צריכת החשמל של המשאבה באופן לא ליניארי. ברכבים חשמליים, ירידה נוספת של 10 קילו-פסקל בלחץ עשויה לעלות בין כמה לעשרות וואטים של הספק משאבה, דבר שיש להתחשב בו בתקציב צריכת החשמל של המערכת.
5. התפתחות הארכיטקטורה: מקירור עקיף ללוח קירור נוזלי משובץ / משולב ב-dbcבארכיטקטורות קירור מסורתיות, מודול ה-IGBT כולל ערימה רב-שכבתית של "שבב - DBC - לוח בסיס (Cu או Alסיק) - לוח קר", כאשר כל שכבה מוסיפה התנגדות תרמית. כפי שצוין, ההתנגדות התרמית של הממשק עולה על 60% מהסך הכולל.
כדי להתגבר על כך, צצה ארכיטקטורה משבשת - לוחית נוזלית קרה משובצת או משולבת ב-dbc. הרעיון הוא לשלב את מצע ה-dbc ישירות לתוך הלוחית הקרה, באמצעות תהליכים בטמפרטורה גבוהה כדי לחבר נחושת וקרמיקה (al₂o₃ או aln) למבנה מונוליטי. תעלות נוזל קירור ממוקמות ישירות מתחת לשבב, מופרדות רק על ידי ה-dbc, מה שמקצר באופן דרמטי את נתיב הולכת החום.
שלושה יתרונות עיקריים: (1) מבטל את הצורך בלוח הבסיס וב-tim חיצוני, מה שמפחית באופן דרסטי את ההתנגדות התרמית הכוללת; (2) רזולוציית ערוץ עד 0.3 מ"מ, בשילוב עם נחושת בעלת מוליכות גבוהה, משיגה ביצועים איזותרמיים מצוינים; (3) תומך בפריסות קומפקטיות בצפיפות הספק גבוהה ובהרכבת רכיבים דו-צדדית. פרמטרי חומר מרכזיים עבור סכימה משולבת זו מוצגים בטבלה 2.
טבלה 2: פרמטרים מרכזיים של חומרים עבור לוחית קור נוזלית משולבת dbc (מקור: קירור אלקטרוניקה, 2025)
| material layer | common materials | thermal conductivity (w/m·k) | cte (ppm/°c) |
|---|---|---|---|
| שבב מוליך למחצה | סיק | 375 | 4.0 |
| חיבור | סרט הלחמה ausn / סרט סינטור ag | 50 / 200 | 15.9 / 18.9 |
| בידוד קרמי | al₂o₃ / aln | 35 / 170–200 | 6.5 / 4.2–5.7 |
| גוף צלחת קר | נחושת (עם) | 360 | 16.7 |
מגמת אינטגרציה זו תואמת את צמיחת השוק של מודולי IGBT עם קירור ישיר.
בחירת חומר הפלטה הקרה מאזנת בין מוליכות תרמית, יכולת עיבוד שבבי ועלות. הבחירה הנפוצה ביותר היא סגסוגת אלומיניום 6063, עם מוליכות תרמית של כ-180-230 w/(m·k). נחושת מציעה כ-401 w/(m·k) אך הצפיפות שלה פי שלושה מזו של אלומיניום, והעלות גבוהה בהרבה, ומשמשת רק ביישומים יוקרתיים עם דרישות קירור מחמירות.
נוזל הקירור הוא נשא קריטי של העברת חום. מחקר שפורסם ב-Applied Thermal Engineering השווה מים מזוקקים, מים מטוהרים, תמיסת אתילן גליקול-מים 20%, ו-HFE7100. ב-RE = 1400, קריטריון הערכת הביצועים הכולל (PEC) של מים מזוקקים היה גבוה ב-9.3%, 24.5% ו-163.9% מאשר מים מטוהרים, 20% אתילן גליקול ו-HFE7100, בהתאמה. RE = 1400 (מהירות זרימה ~0.5-0.6 מטר/שנייה) זוהה כטווח הפעולה האופטימלי לירידת לחץ נמוכה. במערכות מעשיות, תערובת של 50% אתילן גליקול-מים נמצאת בשימוש נרחב, המציעה הגנה מפני קיפאון ומוליכות תרמית טובה.
7. תהליכי ייצור ובדיקות אמינותריתוך/איטום של לוחית נוזלית קרה משפיע ישירות על האמינות לטווח ארוך. עבור ארבעת הסוגים העיקריים: צינורות משתמשים בהטבעה + הלחמה או לחיצה; ריתוך נוזלי (FSW) משתמש בריתוך בחיכוך; ריתוך אקסטרודי (Extrusion) משתמש בריתוך + איטום קצה; הלחמה משתמשת בוואקום או הלחמה אטמוספרית. הלחמת ואקום ו-FSW הם התהליכים המרכזיים ללוחות קרים בעלי אמינות גבוהה.
פגמי ריתוך נפוצים כוללים נקבוביות, פיזור מוגזם, סדקים פנימיים זעירים, הדבקה לקויה וחסימה בתעלות הזרימה. עבור לוחות ריתוך קרים מולחמים ופלטות ריתוך קרות, יש לבדוק בקפידה את איטום הריתוך ואת הניקיון הפנימי.
שטוחות היא גורם מפתח נוסף. על פי תורת המגע של הרץ, אפילו למשטחים שטוחים באופן מקרוסקופי יש שיאים ועמקים מיקרוסקופיים; שטח המגע בפועל קטן בהרבה מהשטח הנומינלי. סטיות שטוחות ברמת מיקרון יכולות לגרום לעלייה דרמטית בהתנגדות התרמית של הממשק. קריטריונים אופייניים לקבלה עבור מערכות קירור של לוחות קרים כוללים:
אטימות לדליפה: בדיקת דליפת הליום, דליפה ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s או ≤ 0.05 מ"ל/דקה @ 0.5–2.0 mpa
עמידות ללחץ: בדיקת התפרצות הידראולית ≥ 3× לחץ עבודה (בדרך כלל ≥ 3.0 mpa)
שטוחות: ≤ 0.05 מ"מ לכל 100 מ"מ (סה"כ ≤ 0.1 מ"מ)
ניקיון: חלקיקים ≤ 10 מ"ג/מ"ר
כלי רכב חשמליים: לוחית הקירור הנוזלית מטפלת בחום מממיר ההנעה, ומשפיעה ישירות על תפוקת הספק המנוע. מודולי SIC בעלי צפיפות הספק פי 2-3 מזו של שבבי IGBT מסורתיים; לוחות קירור נוזליים יעילים בצינורות, FSW או מולחמים מבטלים ביעילות נקודות חמות מקומיות, ומשפרים את טווח הנסיעה החשמלי והאמינות שלו.
ממירים של רוח ואנרגיה סולארית: מודולי IGBT פועלים תחת עומס גבוה לטווח ארוך; מערכת הקירור חייבת להיות בעלת אורך חיים ארוך ותחזוקה נמוכה. לוחות קרים מספקים טמפרטורות צומת יציבות נמוכות יותר ותנודות טמפרטורה קטנות יותר, מה שמשפר משמעותית את האמינות בתנאים קשים.
תחבורה ציבורית ברכבת: חשמול מגביר את דרישת הקירור; קירור נוזלים אקטיבי (מונע על ידי משאבה) מספק בקרת טמפרטורה מדויקת יותר מאשר קירור טבעי או קירור אוויר מאולץ, ומשפר את האמינות בסביבות קיצוניות.
(לוחות קירור דומים לאלקטרוניקה משמשים גם בלוחות קירור למעבדים בעלי ביצועים גבוהים, לוחות קירור נוזליים לסוללות עבור חבילות סוללות לרכבים חשמליים, ותכנוני לוחות קירור מבודדים לבידוד מתח גבוה.)
לפי qyresearch, שוק מצעי הקירור של igbt העולמי הגיע ל- 720 מיליון בשנת 2024 וצפוי להגיע ל-1.165 מיליארד עד 2031, עם גידול של 7.7%. בתוך צמיחה זו, לוחות קרים בנוזל - במיוחד מסוגים מולחמים ו-FSW - הם המניעים העיקריים. הגידול של 17.9% עבור מודולי IGBT מקוררים בנוזל ישיר גבוה משמעותית מהגידול הכולל של 7.7% עבור מצעי IGBT, דבר המצביע על חדירה מהירה של טכנולוגיית קירור נוזלי.
קונספט מתקדם, לוחית הקרה הנוזלית הפוגעת בסילון רב-נחיריים (MJILCP) עבור TDP של 1000 וואט, שהוצגה בכנס IEEE, הראתה התנגדות תרמית נמוכה ב-14.3% ועוצמת שאיבה נמוכה ב-19.3% בהשוואה ללוחית קרה קונבנציונלית עם תעלות כרסום. כדי להשיג התנגדות תרמית של 0.0236°C/W, MJILCP דרש 48% פחות עוצמת משאבה.
האבולוציה העתידית מתמקדת בשלושה כיוונים:
אינטגרציה עמוקה: מקירור עקיף ועד אינטגרציה של DBC משובצת, מה שמפחית עוד יותר את ההתנגדות התרמית.
תכנון חכם: תכנון בעזרת בינה מלאכותית, אופטימיזציה של טופולוגיה וייצור תוספי עבור ערוצי זרימה מותאמים אישית (לוחית נוזלים קרה בהתאמה אישית, לוחות קרים בהתאמה אישית).
התאמה רב-תרחישית: פתרונות מותאמים אישית לפלטפורמות מתח גבוה של 800 וולט, גובה רב וכו', כולל אולי לוחות קרים מחנקן נוזלי לצורכי קירור קיצוניים.
ככל שהייצור המקומי מתקדם ומהפכת האנרגיה החדשה תעמיק, לוחות נוזליים קרים יתפתחו מרכיבים עזר למרכיבים מרכזיים המאפשרים צפיפות הספק ואמינות ב-igbts ובאלקטרוניקה הספקית רחבה יותר.
Kingka Tech Industrial Limited
אנו מתמחים בכיור חום, פלטות נוזל קור, עיבוד שבבי מדויק של CNC והמוצרים שלנו נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית התקשורת, התעופה והחלל, הרכב, בקרה תעשייתית, אלקטרוניקה להספק, מכשירים רפואיים, אלקטרוניקה ביטחונית, תאורת LED וצריכת מולטימדיה.
כְּתוֹבֶת:
הכפר החדש דה לונג, עיירת שיה גאנג, העיר דונגגוואן, מחוז גואנגדונג, סין 523598
אֶלֶקטרוֹנִי:
טלפון:
+86 137 1244 4018
