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Anzahl Durchsuchen:2 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2023-07-17 Herkunft:Powered
Forschung zur thermischen Testmethode für doppelseitige Wärmeableitungs-IGBT-Module für Kraftfahrzeuge
Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsmodulen mit einseitiger Kühlung (SSC) verfügen Module mit doppelseitiger Kühlung (DSC) über robustere Wärmeableitungsfähigkeiten und geringere parasitäre Parameter.Um die Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit von Kfz-Motorsteuerungen weiter zu verbessern, erhält der Einsatz doppelseitiger Kühlleistungsmodule in Elektrofahrzeugen immer mehr Aufmerksamkeit.Mit der erfolgreichen Massenanwendung doppelseitig kühlender IGBT-Geräte für Automobile bei Herstellern wie Toyota (Denso), GM (Delphi) und Tesla (ST) ist die Marktnachfrage nach doppelseitig kühlenden IGBT-Modulen stark gestiegen.
Das doppelseitige Wärmeableitungs-Leistungsmodul verfügt über eine fortschrittliche dreidimensionale Verpackungsstruktur mit mehreren Wärmeübertragungskanälen.Die bestehende Wärmewiderstandstestmethode verwendet immer noch die Wärmewiderstandstestmethode der einkanaligen Wärmeübertragung.Im Gegensatz zu herkömmlichen IGBT-Modulen mit einseitiger Kühlung leiten doppelseitig kühlende IGBT-Module für die Automobilindustrie die Wärme gleichzeitig an die Vorder- und Rückseite.Seine Wärmeableitungsmethode ähnelt der eines eingepressten IGBT-Moduls.Aufgrund der unterschiedlichen Gehäusestrukturen unterscheiden sich der interne Wärmeableitungspfad und der Wärmewiderstand erheblich, und die Bewertungsmethode muss überdacht werden.Nur wenige große Hersteller wie Infineon haben serialisierte Produkte zur beidseitigen Wärmeableitung auf den Markt gebracht.
Zu den Prüfmethoden für die IGBT-Übergangstemperatur gehören hauptsächlich thermische Parameter, Finite-Elemente-Simulation, Sensorkalibrierung, Infrarot-Scanning usw. Die strukturellen Eigenschaften des doppelseitig kühlenden IGBT-Moduls bestimmen, dass es einen sehr hohen thermischen Kontaktwiderstand erfordert.Das durch den einzigartigen Prozess des X-Moduls verursachte Wölbungsproblem führt jedoch zu einem schlechten direkten Crimpeffekt zwischen der Wärmeableitungsoberfläche und dem Kühlkörper.Die Prämisse des Doppelschnittstellen-Methodentests besteht darin, sicherzustellen, dass die Wärmeableitungspfade zwischen Chip-Verbindung und Gehäuse unter den beiden Schnittstellenbedingungen konsistent sind.Durch direktes Einpressen stimmt es nicht mit dem Verlauf der Silikonfett-Grenzfläche überein und der vordere Teil der Struktur-Funktions-Kurve stimmt nicht überein, was dazu führt, dass der Wärmewiderstand nicht genau getestet werden kann.Daher ist die herkömmliche Doppelschnittstellenmethode für die thermische Prüfung von Automobil-IGBT-Modulen mit beidseitiger Wärmeableitung ungeeignet.Es ist notwendig, neue Schnittstellenmaterialien anstelle des direkten Crimpens zu entwickeln, um die Konsistenz der Wärmeableitungspfade der beiden Schnittstellen sicherzustellen.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, schlägt dieser Artikel auf innovative Weise eine thermische Testmethode für eine Wärmeableitungsstruktur mit zwei Schnittstellen vor.Um die traditionelle Doppelschnittstellenmethode zu optimieren, trennen zwei verschiedene Wärmeschnittstellenmaterialien A und B die Struktur-Funktionskurven.Die Testmethode für den Wärmewiderstand doppelseitiger Kopplung von Materialien mit doppelter Grenzfläche ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Schritte sind wie folgt.
Die primären und sekundären Kühlflächen des Moduls sind mit den Wärmeleitmaterialien A und B bedeckt, die auf den Kühlkörper gepresst werden.Der Kühler lässt weiterhin Wasser durch, der Wärmewiderstandstest beginnt und es werden die Struktur-Funktions-Kurven 1-1 1-2 erhalten.
Der überlappende Teil der beiden Strukturfunktionskurven ist der doppelseitige Wärmewiderstand des Moduls im Anschlussgehäuse.
Die Metalloberflächenstruktur doppelseitig kühlender IGBT-Produkte für die Automobilindustrie leitet nur Wärme und keinen Strom.Sein Wärmeableitungspfad kann als zwei Geräte mit unterschiedlichen Leistungs- und Wärmewiderstandsparametern verstanden werden, die Wärme gleichzeitig auf zwei Oberflächen Rücken an Rücken leiten.Solange wir versuchen, eine doppelseitige Wärmeableitung und eine einseitige Wärmeableitung für Automobilprodukte zu erreichen, können die Struktur-Funktionskurven der primären und sekundären Wärmeableitungsflächen des IGBT-Moduls theoretisch gemessen werden.Der Weg, den Kopplungseffekt der doppelseitigen Wärmeleitung zu beseitigen, besteht darin, die einseitige Wärmeleitung zu realisieren.Die Testmethode für den einseitigen Wärmewiderstand von Materialien mit doppelter Grenzfläche ist in Abbildung 2 dargestellt. Die spezifischen Schritte sind wie folgt.
1) Die Hauptwärmeableitungsoberfläche des Moduls ist mit wärmeisolierendem Material bedeckt, und die sekundäre Wärmeableitungsoberfläche ist über die Schnittstellenmaterialien A und B auf den Kühler gepresst. Der Kühler lässt weiterhin Wasser durch, um die Wärme abzuleiten, und die Struktur- Funktionskurven der sekundären Wärmeableitungsfläche werden 2-1, 2-2 gemessen.
2) Die sekundäre Wärmeableitungsfläche des Moduls ist mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt, und die primäre Wärmeableitungsfläche ist über die Schnittstellenmaterialien A und B auf den Kühler gepresst. Der Kühler lässt weiterhin Wasser durch, um die Wärme und die Struktur abzuleiten -Funktionskurven der primären Wärmeableitungsfläche werden gemessen 3-1, 3-2.
Die Wärmeleitungspfade zwischen Verbindungsstelle und Gehäuse sind für die beiden Messungen auf einer Seite identisch, und nur der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Senke ist unterschiedlich.Daher werden die beiden Strukturfunktionskurven an der Kühloberfläche des Moduls getrennt und der überlappende Teil ist der entsprechende Wärmewiderstand des Anschlussgehäuses.Der zugehörige einseitige Wärmewiderstand zwischen Übergang und Gehäuse kann mit der oben genannten Methode ermittelt werden.
Ausgehend von den Struktureigenschaften und Heizeigenschaften des X-Moduls wird durch Strukturdesign, Simulationsanalyse und Optimierung das Kühlerdesign mit hoher Wärmeaustauscheffizienz realisiert.Unter der Bedingung der maximalen Heizleistung des Geräts liegt der Temperaturunterschied zwischen der oberen und unteren Kühlfläche innerhalb von 1 °C und der Temperaturunterschied zwischen Einlass- und Auslasswasser innerhalb von 2 °C.Der Gesamtaufbau der thermischen Testvorrichtung des X-Moduls ist in Abbildung 3 dargestellt.
Gemäß dem thermischen Testplan für Dual-Interface-Materialien ist es notwendig, ein geeignetes Wärmeleitfähigkeits- und Wärmeisolationsmaterial als Schnittstelle auszuwählen, um den doppelseitigen und einseitigen thermischen Impedanztest des IGBT-Moduls durchzuführen.Unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Eigenschaften verschiedener Materialien wurde beschlossen, einen wärmeableitenden Graphitfilm und wärmeleitendes Silikonfett als Wärmeschnittstellenmaterialien für den Wärmewiderstandstest des X-Moduls zu wählen.
Flexibles Airtel und Polyurethan-PU-Kleber wurden als mögliche Wärmedämmungs-Schnittstellenmaterialien für den X-Modul-Wärmetest ausgewählt.Um die tatsächliche Wärmedämmleistung der beiden Materialien zu überprüfen, werden jeweils zwei Materialien zur Isolierung der sekundären Wärmeableitungsfläche verwendet.Der Wärmewiderstandsvergleichstest der Hauptwärmeableitungsfläche verwendet den wärmeleitenden Materialhomogenen Graphitfilm.
Die Vergleichsergebnisse zeigen, dass der Wärmewiderstand des Verbindungsrings und die höchste unter adiabatischen Bedingungen gemessene Verbindungstemperatur von Polyurethan-PU-Klebstoff niedriger sind als die von Aerogel.Es zeigt sich, dass bei gleichem Pressmoment die Wärmedämmfähigkeit von Airtel besser ist als die von Polyurethan-PU-Kleber.Daher wurde Airtel als Wärmedämmstoff für den thermischen Test ausgewählt.
Die Vergleichstestbedingungen für die Einpresskraft wurden entwickelt, um den Einfluss des Einpressdrehmoments auf den Wärmewiderstand des Anschlussgehäuses des X-Moduls zu untersuchen.Wenn das Einpressdrehmoment zunimmt, nimmt der thermische Widerstand des Geräteverbindungsrings des X-Modul-IGBT und FRD ab.Der Wärmewiderstandstest des Anschlussgehäuses zeigte jedoch keine signifikante Änderung.Es zeigt sich, dass bei IGBT-Modulen mit doppelseitiger Wärmeableitung unterschiedliche Einpressdrehmomente nur den thermischen Kontaktwiderstand zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper beeinflussen und keinen Einfluss auf die Prüfung des thermischen Widerstands des Anschlussgehäuses haben.
Das thermische Simulationsmodell des X-Moduls ist in Abbildung 4 dargestellt.
Nach der Doppelschnittstellen-Materialmethode wird der einseitige Wärmewiderstandstest der primären und sekundären Wärmeableitungsflächen des X-Moduls durchgeführt.Die Testergebnisse zeigen, dass der mit dieser Methode gemessene einseitige Wärmewiderstand der Ober- und Unterrohre eine gute Konsistenz aufweist.
Die Abweichung zwischen den gemessenen und simulierten Werten des doppelseitigen Wärmewiderstands von IGBT und FRD liegt innerhalb von ±5 %.Die Abweichung zwischen dem geschätzten Wert und dem gefälschten Wert des Wärmewiderstands der primären Wärmeableitungsfläche liegt innerhalb von ±10 %.Der gemessene Wert des thermischen Widerstands der sekundären Kühlfläche weicht um etwa 70 % vom simulierten Wert ab.
Da es kein absolutes Wärmedämmmaterial gibt, kann der thermische Kopplungseffekt des doppelseitigen Kühlmoduls nicht beseitigt werden.Für den Wärmeisolationszustand der sekundären Wärmeableitungsfläche fließt der Großteil der Wärme durch die primäre Wärmeableitungsfläche ohne Wärmedämmmaterial, um eine ideale einseitige Wärmeableitung zu bilden, und die Abweichung des Testwerts ist gering.Für den adiabatischen Zustand der primären Wärmeableitungsoberfläche fließt ein Teil der Wärme mit wärmeisolierendem Material durch die primäre Wärmeableitungsoberfläche, und der Kopplungseffekt ist relativ groß.Dies führt zu einer großen Abweichung zwischen Test- und Simulationswerten.
Für den thermischen Kopplungseffekt beim thermischen Test der sekundären Wärmeableitungsoberfläche besteht die Korrekturmethode darin, den Kopplungseffekt zu eliminieren, indem der Wärmewiderstand der sekundären Wärmeableitungsoberfläche auf der Grundlage des gemessenen Wärmewiderstands der primären Wärmeableitungsoberfläche und beider umgekehrt wird Seiten.Der Fehler des korrigierten Ergebnisses wird auf 25 % reduziert.
Am X-Modul wurden wiederholte Presssitz- und Wärmewiderstandstests durchgeführt, um die Wiederholbarkeit der thermischen Testmethode des doppelseitigen Wärmeableitungs-IGBT-Moduls für Kraftfahrzeuge zu überprüfen.Die Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung der fünf Testergebnisse innerhalb von ±2 % liegt, was darauf hinweist, dass die thermische Testmethode eine gute Wiederholbarkeit und Generalisierbarkeit aufweist.
Basierend auf der vergleichenden Untersuchung des thermischen Testwerkzeugdesigns, der Auswahl des Schnittstellenmaterials und der Einpressmethoden wird ein thermisches Testverfahren für Schnittstellenmaterialien mit doppelter Wärmeableitung vorgeschlagen, das für doppelseitige Wärmeableitungs-IGBT-Module im Automobilbereich geeignet ist.Mit dieser Methode können doppelseitige und einseitige Prüfungen des Wärmewiderstands von Anschlussgehäusen durchgeführt werden.Beim doppelseitigen Wärmeableitungs-IGBT-Modul für die Automobilindustrie haben unterschiedliche Einpressdrehmomente innerhalb eines bestimmten Bereichs keinen Einfluss auf die Prüfung des thermischen Widerstands des Anschlussgehäuses.Die Abweichung zwischen den gemessenen und simulierten Werten des doppelseitigen thermischen Widerstands von IGBT und FRD, die mit der doppelseitigen thermischen Widerstandstestmethode ermittelt wurden, liegt innerhalb von ±5 %.Die Abweichung zwischen dem gemessenen und dem simulierten Wert des einseitigen Wärmewiderstands liegt innerhalb von ±10 %.Dadurch kann der Wärmewiderstandstest des Automobil-IGBT mit doppelseitiger Wärmeableitung genau durchgeführt werden, und die Ergebnisse entsprechen dem Referenzwert.Der thermische Kopplungseffekt des doppelseitigen Wärmeableitungsmoduls kann nicht eliminiert werden, was dazu führt, dass der gemessene und simulierte Wärmewiderstand einer Seite nur eine Kleinigkeit darstellt.Der Kopplungseffekt kann reduziert und die Testergebnisse korrigiert werden, indem der Wärmewiderstand der sekundären Wärmeableitungsfläche basierend auf dem gemessenen Wärmewiderstand der primären Wärmeableitungsfläche und beider Seiten invertiert wird.Die thermische Testmethode weist eine gute Wiederholbarkeit und Generalisierbarkeit auf.
