مشتت حراري من النحاس والألومنيوم لتبريد ترانزستورات IGBT عالية الطاقة

تُستخدم وحدات IGBT عالية القدرة على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة، وأنظمة الطاقة المتجددة، والمحركات الصناعية، وأنظمة الجر، ومعدات تخزين الطاقة، وأجهزة تحويل الطاقة عالية الجهد. أثناء التشغيل، تُولّد وحدات IGBT كمية كبيرة من الحرارة. إذا لم يتم التخلص من هذه الحرارة بكفاءة، فقد ترتفع درجة حرارة الوصلة بسرعة، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة، والإجهاد الحراري، وانخفاض القدرة، أو حتى تعطل الوحدة.

في العديد من التطبيقات عالية الطاقة، يُنظر عادةً إلى مشتتات الحرارة الأنبوبية الحرارية لقدرتها على نقل الحرارة بكفاءة عبر مسافات محددة. مع ذلك، في البيئات القاسية كالأماكن الخارجية ذات الرطوبة العالية والارتفاعات الشاهقة ودرجات الحرارة المنخفضة، قد تواجه حلول التبريد القائمة على الأنابيب الحرارية مخاطر تتعلق بالموثوقية. فقد يتجمد سائل التشغيل في الأنابيب الحرارية في البيئات شديدة البرودة، وقد يعاني هيكل الأنبوب المغلق من التسرب أو تدهور الأداء على المدى الطويل.

لحل هذه المشكلات، طورت شركة كينجكا مشتت حراري ملحوم من النحاس والألومنيوم، يعتمد على قاعدة نحاسية وزعانف ألومنيوم مشذبة وتقنية ربط معجون اللحام عالي الحرارة. يتجنب هذا التصميم استخدام الأنابيب الحرارية ويعتمد على التوصيل الحراري في الحالة الصلبة عبر النحاس والألومنيوم، مما يوفر حلاً أكثر استقرارًا وموثوقية لتبريد ترانزستورات IGBT في ظروف التشغيل القاسية.

لماذا يُعد تبريد ترانزستورات IGBT عالية الطاقة تحديًا تصميميًا بالغ الأهمية

تُعدّ وحدات IGBT من المكونات الأساسية للطاقة في العديد من الأنظمة الكهربائية. فهي تقوم بتحويل الجهد والتيار العاليين، مما يعني أنها تُنتج حرارة كبيرة أثناء التشغيل. وعندما لا يتم نقل الحرارة بعيدًا عن الوحدة بالسرعة الكافية، ترتفع درجة حرارة الجهاز، مما يؤثر على كلٍ من الأداء والعمر الافتراضي.

في التطبيقات العملية، لا تقتصر إدارة الحرارة في ترانزستورات IGBT على خفض درجة الحرارة فحسب، بل يهتم العملاء عادةً بعدة مسائل أعمق:

• كيفية تقليل النقاط الساخنة المحلية أسفل وحدة IGBT

• كيفية تحسين توزيع الحرارة عبر قاعدة المشتت الحراري

• كيفية الحفاظ على أداء تبريد مستقر في البيئات الخارجية

• كيفية تجنب مخاطر التسرب والتجمد والصيانة

• كيفية تحقيق التوازن بين قدرة التبريد، والموثوقية الهيكلية، والوزن، والتكلفة

• كيفية بناء مشتت حراري مخصص يتناسب مع مساحة التركيب الفعلية

لهذا السبب، غالباً ما يكون المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم القياسي غير كافٍ لتطبيقات IGBT عالية الطاقة. يلزم وجود هيكل مشتت حراري مخصص أكثر موثوقية.

المشاكل الشائعة لمشتتات الحرارة ذات الأنابيب الحرارية في البيئات القاسية

يمكن أن تكون مشتتات الحرارة ذات الأنابيب الحرارية فعالة في العديد من البيئات الخاضعة للتحكم. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات الخارجية وفي الظروف القاسية، فقد تشكل مخاطر تقنية لا يمكن تجاهلها.

1. خطر التجمد في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة

يحتوي أنبوب الحرارة على سائل تشغيل داخل الأنبوب المغلق. في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، قد يتجمد هذا السائل الداخلي. بمجرد حدوث التجمد، يمكن أن يتمدد حجم السائل ويتلف البنية الداخلية لأنبوب الحرارة. في الحالات الشديدة، قد يتشقق الأنبوب، مما يؤدي إلى فشل وظيفة نقل الحرارة بالكامل.

بالنسبة لأنظمة IGBT عالية الطاقة المستخدمة في المناطق الباردة، ومحطات الطاقة الخارجية، والمعدات على ارتفاعات عالية، أو ظروف التشغيل الشتوية، فإن هذا يمثل مصدر قلق كبير فيما يتعلق بالموثوقية.

2. خطر التسرب وفشل الإحكام

يعتمد أنبوب التبريد على بنية محكمة الإغلاق. إذا تآكلت منطقة الإغلاق أو تشققت أو تعطلت نتيجة الاهتزازات أو الرطوبة أو التغيرات الحرارية أو الإجهاد الميكانيكي على المدى الطويل، فقد يتسرب سائل التبريد الداخلي. وبمجرد حدوث التسرب، يفقد أنبوب التبريد قدرته على نقل الحرارة.

بالنسبة لتبريد إلكترونيات الطاقة، قد لا يكون من السهل اكتشاف هذا النوع من الأعطال في المرحلة المبكرة، ولكنه يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على سلامة وموثوقية النظام بأكمله.

3. تدهور الأداء مع الاستخدام طويل الأمد

يعتمد أداء نقل الحرارة في الأنابيب الحرارية على دوران سائل التشغيل الداخلي، وبنية الفتيل، وتغير الطور بين البخار والسائل. في ظل ظروف التشغيل القاسية، قد يؤدي التكرار الحراري طويل الأمد والإجهاد الميكانيكي إلى تقليل استقرار الأداء.

ولهذا السبب، بالنسبة لبعض مشاريع تبريد IGBT في الظروف القاسية، يمكن أن يكون المشتت الحراري ذو التوصيل الصلب بدون سائل تشغيل داخلي خيارًا أكثر موثوقية.

مفهوم تصميم مشتت حراري ملحوم من النحاس والألومنيوم

صُمم المشتت الحراري الملحوم بالنحاس والألومنيوم لحل مشاكل موثوقية أنظمة التبريد القائمة على الأنابيب الحرارية. فبدلاً من استخدام دوران السائل الداخلي، يستخدم المشتت الحراري قاعدة نحاسية لتوزيع الحرارة وزعانف ألومنيوم لتبديدها.

تقوم الصفيحة النحاسية الأساسية بامتصاص الحرارة من وحدة IGBT ونشرها بسرعة، بينما يزيد هيكل الزعانف المصنوع من الألومنيوم من مساحة تبديد الحرارة وينقل الحرارة إلى الهواء المحيط.

يجمع هذا التصميم بين مزايا النحاس والألومنيوم:

• يتميز النحاس بموصلية حرارية ممتازة وقدرة فائقة على توزيع الحرارة.

• يوفر الألمنيوم هيكلاً خفيف الوزن وتبديداً للحرارة على مساحة واسعة.

• تعمل عملية اللحام على تحسين التلامس بين النحاس والألومنيوم

• عدم وجود أنبوب حراري يعني عدم وجود تجمد، وعدم وجود تسريب، وموثوقية بيئية أعلى

هذا الهيكل مناسب بشكل خاص لتبريد وحدات IGBT عالية الطاقة، وتبريد إلكترونيات الطاقة الخارجية، وحلول إدارة الحرارة المخصصة المستخدمة في البيئات القاسية.

معايير البنية الأساسية لمشتت الحرارة المصنوع من النحاس والألومنيوم

تم تصميم هيكل المشتت الحراري وفقًا لمبدأ "توزيع الحرارة + تبديد الحرارة بكفاءة". تتعامل الصفيحة النحاسية الأساسية مع الحرارة المركزة من وحدة IGBT، بينما تعمل الزعانف المصنوعة من الألومنيوم على زيادة مساحة التبريد الفعالة.

المعايير الهيكلية الرئيسية

تُعد مجموعة المعلمات هذه مناسبة لتطبيقات مشتتات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم كبيرة الحجم والمخصصة، ومشتتات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم والنحاس، ومشتتات الحرارة لتبريد IGBT التي تتطلب أداءً حراريًا مستقرًا وقدرة عالية على التكيف مع البيئة.

لماذا نستخدم قاعدة نحاسية بسمك 5 مم؟

غالباً ما يُولّد السطح السفلي لوحدة IGBT حرارة مركزة. إذا نُقلت هذه الحرارة مباشرةً إلى مشتت حراري من الألومنيوم، فقد تحدث اختلافات موضعية في درجة الحرارة لأن الألومنيوم أقل توصيلاً حرارياً من النحاس.

تساعد قاعدة نحاسية بسمك 5 مم في حل هذه المشكلة عن طريق توزيع الحرارة بشكل أكثر تساوياً قبل دخولها إلى هيكل الزعانف الألومنيومية. وهذا يقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة الموضعية ويحسن استقرار عمل وحدة IGBT.

توفر قاعدة النحاس العديد من المزايا:

• توزيع أفضل للحرارة أسفل وحدة IGBT

• انخفاض فرق درجة الحرارة عبر قاعدة المشتت الحراري

• انخفاض عدد البؤر الساخنة المحلية

• تحسين الأداء الحراري للتلامس

• حماية أفضل لأجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة

بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، فإن الصفيحة النحاسية الأساسية ليست مجرد طبقة موصلة للحرارة، بل هي أيضاً الجزء الرئيسي الذي يحسن من تجانس درجة الحرارة وموثوقية الوحدة.

تصميم زعانف من الألومنيوم المشذب لتبديد الحرارة على مساحة كبيرة

صُمم قسم الزعانف المصنوع من الألومنيوم لتبديد الحرارة إلى البيئة المحيطة. في هذا التصميم، يصل طول الزعانف إلى 850 مم، وارتفاعها إلى 100 مم، وسُمكها إلى 1.5 مم. يوفر هذا الهيكل الكبير للزعانف مساحة واسعة لتبديد الحرارة، مما يجعله مناسبًا للأحمال الحرارية عالية الطاقة.

يُختار الألومنيوم لأنه يوفر توازناً جيداً بين الأداء الحراري والوزن والتكلفة وسهولة التصنيع. بالمقارنة مع مشتت حراري مصنوع بالكامل من النحاس، يمكن لهيكل مركب من النحاس والألومنيوم أن يقلل الوزن الإجمالي مع الحفاظ على أداء قوي في توزيع الحرارة في منطقة مصدر الحرارة.

بالنسبة لهذا النوع من مشتتات الحرارة ذات الزعانف المشطوفة، يُعد شكل الزعانف مهمًا لأنه يؤثر بشكل مباشر على المقاومة الحرارية من جهة الهواء. يجب تحسين ارتفاع الزعانف، والمسافة بينها، وسماكتها، واتجاه تدفق الهواء وفقًا لظروف التشغيل الفعلية.

مزايا هيكل الزعانف المصنوعة من الألومنيوم

وهذا يجعل الحل مناسبًا لمشتتات حرارة إلكترونيات الطاقة، ومشتتات حرارة وحدات IGBT، وأنظمة التبريد الصناعية، وتطبيقات إدارة الحرارة الأخرى عالية الطاقة.

ربط واجهة النحاس والألومنيوم باستخدام معجون لحام بدرجة حرارة 230 درجة مئوية

تُعدّ منطقة التماس بين النحاس والألومنيوم من أهم أجزاء المشتت الحراري. فحتى لو كان كلا المادتين يتمتعان بموصلية حرارية جيدة، فإن ضعف الترابط بينهما قد يؤدي إلى مقاومة حرارية عالية عند التلامس، مما يقلل من فعالية التبريد الإجمالية.

لتحسين جودة التوصيل، يستخدم هذا المشتت الحراري معجون لحام عالي الحرارة (230 درجة مئوية) مع عملية طباعة باستخدام قالب. يُطبع معجون اللحام بالتساوي على منطقة التوصيل من خلال قالب فولاذي مُصمم خصيصًا. بعد محاذاة دقيقة وتسخين مُتحكم به، ينصهر اللحام مُشكلاً اتصالًا حراريًا وميكانيكيًا قويًا بين قاعدة النحاس وهيكل الألومنيوم.

خطوات العملية الرئيسية

من خلال هذه العملية، يمكن أن تحقق واجهة النحاس والألومنيوم اتصالاً وثيقاً ومقاومة حرارية أقل، وهو أمر ضروري لتبريد الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة عالية الطاقة.

لماذا تُعدّ الطباعة باستخدام الاستنسل مهمة في عملية ربط اللحام؟

بالنسبة لمشتت حراري كبير الحجم مصنوع من النحاس والألومنيوم، لا يمكن وضع معجون اللحام بشكل عشوائي. فإذا كانت طبقة اللحام رقيقة جدًا، فقد لا تلتصق بعض المناطق بشكل صحيح. أما إذا كانت طبقة اللحام سميكة جدًا، فقد يزيد ذلك من المقاومة الحرارية أو يتسبب في عدم انتظام الالتصاق.

تساعد الطباعة باستخدام الاستنسل في حل هذه المشكلة من خلال التحكم في سمك معجون اللحام وتوزيعه. وهذا يحسن الاتساق والتكرار وكفاءة الإنتاج.

تشمل فوائد الطباعة باستخدام الاستنسل ما يلي:

• سماكة معجون اللحام أكثر تجانسًا

• تحكم أفضل في منطقة الربط

• انخفاض خطر الفراغات المحلية

• تحسين جودة التلامس بين النحاس والألومنيوم

• تحسين قابلية تكرار العملية للإنتاج على دفعات

• أداء حراري أكثر استقرارًا

بالنسبة لمصنّع مشتتات حرارية مخصصة، تُعدّ استقرارية العملية بنفس أهمية اختيار المواد. يجب أن يكون التصميم الجيد قابلاً للتصنيع، وقابلاً للتكرار، وموثوقاً به في ظروف التشغيل الفعلية.

مشتت حراري من النحاس والألومنيوم مقابل مشتت حراري من الأنابيب الحرارية

بالنسبة لتبريد IGBT في الظروف القاسية، يوفر المشتت الحراري المصنوع من النحاس والألومنيوم الملحوم العديد من المزايا مقارنة بالمشتت الحراري التقليدي المصنوع من الأنابيب الحرارية.

لا يعني هذا أن مشتتات الحرارة المصنوعة من الأنابيب الحرارية غير مفيدة. ففي العديد من التطبيقات، تظل الأنابيب الحرارية حلاً فعالاً. ومع ذلك، عندما يكون الشاغل الرئيسي للعميل هو التجمد والتسريب والموثوقية على المدى الطويل في البيئات القاسية، فقد يكون مشتت الحرارة المصنوع من النحاس والألومنيوم الملحوم أكثر ملاءمة.

مزايا التطبيق في البيئات القاسية

تم تصميم هذا المشتت الحراري المصنوع من مركب النحاس والألومنيوم للتطبيقات التي تكون فيها الموثوقية أكثر أهمية من الأداء الحراري قصير المدى فقط.

1. لا يوجد خطر لفشل أنابيب التدفئة

لأن المشتت الحراري لا يستخدم أنابيب حرارية، فهو لا يعتمد على سائل تبريد داخلي، أو دوران البخار، أو هياكل الأنابيب المغلقة. وهذا يزيل مخاطر تسرب السوائل، وتشقق الأنابيب، وتلف الأنابيب الحرارية مع مرور الوقت.

بالنسبة لأنظمة IGBT التي يجب أن تعمل باستمرار، فإن هذا يمثل ميزة كبيرة.

2. لا توجد مشكلة تجمد في ظروف درجات الحرارة المنخفضة

في المناطق الباردة أو التطبيقات الخارجية، قد يتجمد سائل التبريد في الأنابيب الحرارية ويتسبب في تلفها. أما المشتت الحراري المصنوع من النحاس والألومنيوم فيعتمد على التوصيل الحراري في الحالة الصلبة، لذا فهو لا يتأثر بتجمد السائل الداخلي.

وهذا يجعله مناسبًا لـ:

• معدات الطاقة على ارتفاعات عالية

• خزائن كهربائية خارجية

• أنظمة طاقة الرياح

• أنظمة تخزين الطاقة

• أنظمة الطاقة للسكك الحديدية والجر

• المعدات الصناعية في المناطق الباردة

• تبريد إلكترونيات الطاقة في الظروف الخارجية القاسية

3. تحسين توزيع الحرارة أسفل وحدة IGBT

تساعد قاعدة النحاس بسمك 5 مم على توزيع الحرارة بشكل أكثر تساوياً على قاعدة المشتت الحراري. هذا يقلل من تركيز درجة الحرارة على السطح السفلي لترانزستور IGBT ويساعد على تحسين موثوقية الوحدة.

4. موثوقية هيكلية أقوى

يتميز الهيكل الملحوم بالنحاس والألومنيوم بثباته الميكانيكي. فهو يتجنب الهيكل الهش المغلق لأنابيب الحرارة، وهو أكثر ملاءمة للاهتزاز والرطوبة والتغيرات الحرارية وظروف التشغيل الخارجية.

5. مناسب للإنتاج حسب الطلب

تتميز عملية طباعة قوالب معجون اللحام بأنها قابلة للتحكم والتكرار، ويمكن تكييفها مع أحجام المشتتات الحرارية المختلفة، ومناطق الربط، وهياكل الزعانف، والمتطلبات الحرارية للعملاء.

متى يجب عليك اختيار مشتت حراري ملحوم من النحاس والألومنيوم؟

يُعد المشتت الحراري المصنوع من النحاس والألومنيوم الملحوم مناسبًا عندما يحتاج العميل إلى حل تبريد موثوق به للإلكترونيات عالية الطاقة ولكنه يريد تجنب مخاطر الأنابيب الحرارية.

سيناريوهات التطبيق الموصى بها

في بعض التطبيقات التي تتطلب تدفقًا حراريًا عاليًا للغاية، قد يظل استخدام لوحة تبريد سائلة ضروريًا. كما توفر شركة كينجكا حلولًا مخصصة للوحات التبريد السائلة، ولوحات التبريد المائي، ولوحات التبريد السائلة بتقنية FSW، ولوحات التبريد المصنعة باستخدام آلات CNC، وذلك عندما لا يكون التبريد الهوائي أو مشتتات الحرارة بالتوصيل الصلب كافيًا.

المشتت الحراري المصنوع من النحاس والألومنيوم أم لوحة التبريد السائلة: كيف نختار؟

تُستخدم كل من المشتتات الحرارية المصنوعة من النحاس والألومنيوم والصفائح الباردة السائلة في إدارة الحرارة عالية الطاقة، لكنها تحل مشاكل مختلفة.

إذا كان الشاغل الرئيسي للعميل هو موثوقية النظام في البيئات القاسية، فإن المشتت الحراري الملحوم بالنحاس والألومنيوم يُعد خيارًا قويًا. أما إذا كان تدفق الحرارة مرتفعًا جدًا بحيث لا يمكن تبريده بالهواء، فقد تكون الصفيحة المبردة السائلة أكثر ملاءمة.

كيف تدعم شركة كينجكا مشاريع تبريد IGBT المخصصة

تركز شركة kingka على مكونات إدارة الحرارة المخصصة لإلكترونيات الطاقة، وتخزين الطاقة، والمعدات الصناعية، وأنظمة LED، ومعدات الاتصالات، وأنظمة الأتمتة، والأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة.

تشمل منتجاتنا وخدماتنا ما يلي:

• مشتت حراري مصنوع من الألومنيوم حسب الطلب

• مشتت حراري نحاسي

• مشتت حراري من النحاس والألومنيوم

• مشتت حراري ذو زعانف مشذبة

• مشتت حراري للبثق

• أنبوب حراري، مشتت حراري

• مشتت حراري لتبريد ترانزستورات IGBT

• لوحة تبريد سائلة

• لوحة تبريد بالماء

• لوحة تبريد سائلة من نوع fsw

• لوحة تبريد مصنعة باستخدام الحاسوب

• حلول مخصصة لإدارة الحرارة

بالنسبة لمشاريع تبريد IGBT، يمكن لشركة Kingka دعم التصميم الهيكلي، واختيار المواد، وتصميم الزعانف، وربط النحاس والألومنيوم، وتحسين عملية اللحام، والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي، ومعالجة الأسطح، والإنتاج المخصص وفقًا لرسومات العميل أو متطلبات التطبيق.

هدفنا ليس فقط تصنيع مشتت حراري، ولكن مساعدة العملاء على حل المشاكل الحرارية العملية، بما في ذلك النقاط الساخنة، والمساحة المحدودة، والتشغيل في بيئة قاسية، ومخاطر الموثوقية، واستقرار الأداء على المدى الطويل.

بالنسبة لوحدات IGBT عالية الطاقة المستخدمة في البيئات القاسية، قد تواجه مشتتات الحرارة التقليدية ذات الأنابيب الحرارية مخاطر مثل تجمد سائل التبريد، والتسرب، وفشل منع التسرب، وتدهور الأداء على المدى الطويل. ويمكن أن تصبح هذه المشاكل مصدر قلق بالغ في التطبيقات الخارجية، وفي البيئات ذات الرطوبة العالية، والارتفاعات الشاهقة، ودرجات الحرارة المنخفضة.

يوفر مشتت الحرارة الملحوم بالنحاس والألومنيوم من كينجكا بديلاً أكثر موثوقية. باستخدام قاعدة نحاسية بسمك 5 مم لتوزيع الحرارة، وقاعدة ألومنيوم بسمك 10 مم وزعانف ألومنيوم كبيرة لتبديد الحرارة، ومعجون لحام بدرجة حرارة 230 درجة مئوية بتقنية الطباعة الاستنسلية لربط النحاس والألومنيوم، يوفر هذا الحل أداءً حراريًا مستقرًا دون الاعتماد على أنابيب التبريد.

والنتيجة هي مشتت حراري قوي وقابل للتصنيع ومقاوم للبيئة لتبريد ترانزستورات IGBT، وهو مناسب لتطبيقات إلكترونيات الطاقة المتطلبة.

بالنسبة للعملاء الذين يحتاجون إلى مشتت حراري مخصص، أو مشتت حراري من النحاس والألومنيوم، أو مشتت حراري ذو زعانف مشذبة، أو لوحة تبريد سائلة، أو حلول إدارة حرارية كاملة، يمكن لشركة kingka توفير دعم موثوق للتصميم والتصنيع بناءً على الحمل الحراري الفعلي، ومساحة التركيب، وبيئة التشغيل، ومتطلبات الموثوقية على المدى الطويل.