دما یک عامل مهم است که به طور قابل توجهی بر عملکرد ماژول های IGBT (ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق) تأثیر می گذارد. من به عنوان یک تأمین کننده پیشرو در ماژول های IGBT ، دست اول شاهد بوده ام که چگونه تغییرات دما می تواند تأثیر زیادی بر این مؤلفه های اساسی داشته باشد. در این وبلاگ ، من به روش های مختلف تأثیر دما بر عملکرد ماژول IGBT می پردازم.
I. اصل اصلی کار ماژول های IGBT
قبل از بررسی تأثیر دما ، درک اصل اساسی ماژول های IGBT مهم است. IGBT مزایای MOSFET ها (فلز - اکسید - میدان نیمه هادی - ترانزیستورهای اثر) و ترانزیستورهای اتصال دو قطبی را ترکیب می کند. این امپدانس ورودی بالایی مانند MOSFET دارد ، که امکان کنترل آسان با سیگنال های کم قدرت و امکان کنترل جریان های بالا و ولتاژ مانند ترانزیستور دو قطبی را فراهم می کند.
هنگامی که یک ولتاژ مثبت به دروازه IGBT اعمال می شود ، یک لایه وارونگی در منطقه P - نوع ایجاد می کند و اجازه می دهد جریان از جمع کننده به سمت امیتر جریان یابد. این مکانیسم تعویض در قلب بسیاری از برنامه های الکترونیکی برق مانند درایوهای حرکتی ، سیستم های انرژی تجدید پذیر و گرمایش القایی قرار دارد.
ii. تأثیر دما بر خصوصیات الکتریکی
A. ولتاژ آستانه
ولتاژ آستانه ($ v_ {th} $) یک IGBT حداقل دروازه است - ولتاژ emitter مورد نیاز برای روشن کردن دستگاه. دما تأثیر قابل توجهی در $ v_ {th} $ دارد. با افزایش دما ، ولتاژ آستانه به طور معمول کاهش می یابد. این امر به این دلیل است که افزایش دما باعث افزایش غلظت حامل ذاتی در ماده نیمه هادی می شود. ولتاژ آستانه پایین به این معنی است که IGBT ممکن است راحت تر روشن شود ، که می تواند منجر به تحریک کاذب در برخی از برنامه ها شود. به عنوان مثال ، در یک مدار سوئیچینگ فرکانس بالا ، کاهش جزئی در $ v_ {th} $ به دلیل افزایش دما می تواند باعث شود که IGBT زودرس روشن شود و منجر به افزایش تلفات قدرت و نقص عملکرد بالقوه شود.
B. on - افت ولتاژ حالت
افت ولتاژ حالت ($ v_ {ce (on)} $) یکی دیگر از پارامترهای مهم است که تحت تأثیر دما قرار دارد. به طور کلی ، با افزایش دما ، افت ولتاژ حالت IGBT افزایش می یابد. این امر عمدتاً به دلیل افزایش مقاومت ناحیه رانش با افزایش دما است. $ بالاتر V_ {ce (روشن)} $ به این معنی است که قدرت بیشتر در IGBT در حالت روشن از بین می رود. به عنوان مثال ، در یک مبدل برق ، افزایش در $ v_ {ce (on) $ به دلیل دما می تواند منجر به کاهش کارایی و افزایش تولید گرما شود و یک چرخه شرور ایجاد می کند که در آن گرمای بیشتر دما را بیشتر می کند و مشکل را تشدید می کند.
ج - خصوصیات تعویض
دما همچنین بر خصوصیات سوئیچینگ ماژول های IGBT تأثیر می گذارد. نوبت - روشن و روشن - خاموش شدن IGBT تحت تأثیر دما است. با افزایش دما ، نوبت به طور کلی کاهش می یابد ، در حالی که زمان نوبت افزایش می یابد. کاهش به نوبه خود - به موقع به دلیل ولتاژ آستانه پایین تر و تحرک سریعتر حامل در دماهای بالاتر است. با این حال ، افزایش زمان به نوبه خود عمدتاً به دلیل نوترکیب کندتر حامل ها در مواد نیمه هادی در دمای بالا است. این تغییرات در زمان سوئیچینگ می تواند تأثیر قابل توجهی در عملکرد کلی سیستم الکترونیک برق داشته باشد. به عنوان مثال ، در اینورتر مدولاسیون پالس - عرض (PWM) ، تغییر در زمان سوئیچینگ می تواند منجر به افزایش اعوجاج هارمونیک در ولتاژ خروجی و جریان شود.
iii تأثیر دما در مدیریت حرارتی
الف - اتلاف گرما
ماژول های IGBT در حین کار گرما ایجاد می کنند و اتلاف گرمای مؤثر برای حفظ عملکرد و قابلیت اطمینان آنها بسیار مهم است. دما نقش اساسی در فرآیند اتلاف گرما دارد. با افزایش اختلاف دما بین ماژول IGBT و محیط اطراف آن ، میزان انتقال حرارت نیز طبق قانون هدایت گرما فوریه افزایش می یابد. با این حال ، اگر دمای ماژول IGBT خیلی زیاد شود ، ممکن است مقاومت حرارتی گرما و سایر اجزای خنک کننده افزایش یابد و باعث کاهش کارایی اتلاف گرما شود. به عنوان مثال ، در دماهای بالا ، ماده رابط حرارتی بین IGBT و گرما ممکن است تخریب شود ، مقاومت حرارتی را افزایش داده و از انتقال حرارت کارآمد جلوگیری می کند.
ب - استرس حرارتی
تغییرات دما همچنین می تواند باعث استرس حرارتی در ماژول های IGBT شود. مواد مختلف در ماژول IGBT ، مانند تراشه نیمه هادی ، بستر سرامیکی و اتصالات فلزی ، دارای ضرایب مختلف انبساط حرارتی هستند. هنگامی که دما تغییر می کند ، این مواد با سرعت های مختلف گسترش می یابند و ایجاد می شوند و باعث ایجاد استرس مکانیکی می شوند. با گذشت زمان ، این استرس حرارتی می تواند منجر به ترک خوردگی تراشه نیمه هادی ، لایه لایه شدن بستر یا عدم موفقیت سیمهای پیوند شود. به عنوان مثال ، در یک کاربرد خودرو که در آن ماژول IGBT در معرض چرخه دما مکرر قرار دارد ، استرس حرارتی می تواند طول عمر ماژول را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
IV کاهش اثرات دما
A. سیستم های خنک کننده
برای کاهش اثرات منفی دما بر عملکرد ماژول IGBT ، سیستم های خنک کننده مناسب ضروری هستند. انواع مختلفی از سیستم های خنک کننده وجود دارد ، از جمله خنک کننده هوا ، آب - خنک کننده و خنک کننده مایع. آب - خنک کننده اغلب به دلیل راندمان انتقال گرمای زیاد ، برای کاربردهای پر قدرت ترجیح داده می شود.توزیع کننده آب از جنس استنلس استیللوازم جانبی مهم برای سیستم های خنک کننده آب است. این کمک می کند تا به طور مساوی آب خنک کننده را در ماژول IGBT توزیع کند و از اتلاف گرمای کارآمد اطمینان حاصل شود.
ب - مواد مدیریت حرارتی
استفاده از مواد مدیریت حرارتی با کیفیت بالا همچنین می تواند به کاهش تأثیر دما کمک کند. مواد رابط حرارتی (TIMS) با هدایت حرارتی بالا می توانند انتقال حرارت بین ماژول IGBT و سینک گرما را بهبود بخشند. علاوه بر این ، انتخاب مواد با ضرایب مشابه انبساط حرارتی برای اجزای مختلف در ماژول IGBT می تواند استرس حرارتی را کاهش دهد.
ج - طراحی مدار
طراحی مدار مناسب همچنین می تواند در کاهش اثرات دما نقش داشته باشد. به عنوان مثال ، استفاده از مدارهای درایور با جبران دما می تواند به حفظ ویژگی های سوئیچینگ پایدار در محدوده دمای گسترده کمک کند. علاوه بر این ، طراحی مدار برای محدود کردن حداکثر دمای عملیاتی ماژول IGBT می تواند قابلیت اطمینان آن را بهبود بخشد.
V. اهمیت نظارت بر دما
نظارت بر دما از جنبه مهمی در اطمینان از عملکرد قابل اعتماد ماژول های IGBT است. با نظارت مداوم روی دمای ماژول IGBT ، می توان تشخیص هرگونه دمای غیر طبیعی را زودتر افزایش داد و اقدامات مناسب را برای جلوگیری از خرابی انجام داد. تکنیک های مختلف سنجش دما وجود دارد ، مانند استفاده از ترمیستورها یا سنسورهای مادون قرمز. در برخی از سیستم های پیشرفته الکترونیک قدرت ، نظارت بر دمای زمان واقعی با سیستم کنترل یکپارچه شده است و امکان تنظیم خودکار پارامترهای عملیاتی را فراهم می کند تا دما را در یک محدوده ایمن حفظ کنند.
vi برنامه ها و نقش دما
الف) سیستم های انرژی تجدید پذیر
در سیستم های انرژی تجدید پذیر ، مانند اینورترهای خورشیدی و مبدل های توربین بادی ، ماژول های IGBT به طور گسترده ای استفاده می شوند. تغییرات دما می تواند تأثیر قابل توجهی در عملکرد این سیستم ها داشته باشد. به عنوان مثال ، در یک اینورتر خورشیدی ، درجه حرارت بالا می تواند کارایی ماژول IGBT را کاهش دهد و منجر به کاهش کارایی تبدیل انرژی و کاهش تولید انرژی شود. اطمینان از مدیریت مناسب دما برای به حداکثر رساندن عملکرد و طول عمر سیستم های انرژی تجدید پذیر ضروری است.
ب - درایوهای موتور صنعتی
درایوهای موتور صنعتی نیز به ماژول های IGBT بسیار متکی هستند. تغییرات دما می تواند بر سرعت و کنترل گشتاور موتورها تأثیر بگذارد. اگر دمای ماژول IGBT در یک درایو موتور افزایش یابد ، می تواند منجر به افزایش تلفات برق و کاهش کارایی شود و در نتیجه هزینه های عملیاتی بیشتری داشته باشد. بنابراین ، کنترل دما مؤثر برای عملکرد قابل اعتماد درایوهای حرکتی صنعتی بسیار مهم است.
vii نقش ما به عنوان تأمین کننده ماژول IGBT
ما به عنوان یک تأمین کننده ماژول IGBT ، نقش اساسی دما را در عملکرد محصولات خود درک می کنیم. ما ماژول های IGBT با کیفیت بالا را ارائه می دهیم که برای مقاومت در برابر طیف گسترده ای از دما طراحی شده اند. ماژول های ما با دقت در شرایط دما مختلف آزمایش می شوند تا از قابلیت اطمینان و عملکرد آنها اطمینان حاصل شود. علاوه بر ارائه ماژول های IGBT با کیفیت بالا ، ما همچنین پشتیبانی فنی جامع را به مشتریان ارائه می دهیم. ما می توانیم به مشتریان خود کمک کنیم تا سیستم های خنک کننده مؤثر را طراحی کنند و مواد مدیریت حرارتی مناسب را برای کاهش اثرات دما انتخاب کنیم. ما همچنین برای اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت محصولات خود ، راهنمایی در مورد نظارت و کنترل دما ارائه می دهیم.
اگر در بازار ماژول های IGBT با کارایی بالا هستید و در برخورد با مسائل مربوط به دما به کمک نیاز دارید ، ما برای کمک به اینجا هستیم. تیم متخصصان ما آماده بحث در مورد الزامات خاص شما و ارائه راه حل های سفارشی هستند. آیا شما نیاز داریدkp تریستوربرای منبع تغذیه القایی شما یاصفحه ترانسفورماتور نبض کورهبرای سیستم کنترل کوره شما ، ما محصولات و تخصص هایی را برای رفع نیازهای شما داریم. امروز برای شروع بحث تهیه و برنامه های الکترونیکی قدرت خود را به سطح بعدی با ما تماس بگیرید.
منابع
- Mohan ، N. ، Undeland ، TM ، & Robbins ، WP (2012). برق الکترونیک: مبدل ها ، برنامه ها و طراحی. جان ویلی و پسران.
- ژانگ ، X. ، و لی ، دبلیو. (2019). مدل سازی حرارتی و مدیریت ماژول های IGBT. معاملات IEEE در الکترونیک برق.
- Biela ، J. ، Friedli ، T. ، Waffler ، P. ، & Kolar ، JW (2009). تأثیر عناصر انگلی بر عملکرد پویا ماژول های IGBT. معاملات IEEE در الکترونیک برق.