Koelplaat van koper en aluminium voor krachtige IGBT-koeling

IGBT-modules met hoog vermogen worden veel gebruikt in vermogenselektronica, systemen voor hernieuwbare energie, industriële aandrijvingen, tractiesystemen, energieopslagapparatuur en hoogspanningsomzettingsapparaten. Tijdens bedrijf genereren IGBT-modules een grote hoeveelheid warmte. Als deze warmte niet efficiënt wordt afgevoerd, kan de junctietemperatuur snel stijgen, wat kan leiden tot een lager rendement, thermische spanning, vermogensverlies of zelfs modulefalen.

Voor veel toepassingen met hoog vermogen wordt vaak gekozen voor een heatpipe-koelsysteem, omdat heatpipes warmte efficiënt over een bepaalde afstand kunnen overbrengen. In extreme omstandigheden, zoals buiten, bij hoge luchtvochtigheid, op grote hoogte en bij lage temperaturen, kunnen koeloplossingen op basis van heatpipes echter betrouwbaarheidsproblemen opleveren. De vloeistof in de heatpipe kan bevriezen in extreem koude omgevingen en de afgedichte buisconstructie kan gaan lekken of op de lange termijn prestatievermindering vertonen.

Om deze problemen op te lossen, heeft Kingka een koper-aluminium gesoldeerde koelplaat ontwikkeld, gebaseerd op een koperen basisplaat, aluminium lamellen en een soldeerpasta-verbindingstechnologie voor hoge temperaturen. Deze constructie vermijdt het gebruik van heatpipes en vertrouwt op warmtegeleiding via koper en aluminium, wat een stabielere en betrouwbaardere koelingsoplossing voor IGBT's biedt, zelfs onder zware bedrijfsomstandigheden.

Waarom koeling van krachtige IGBT's een cruciale ontwerpuitdaging is

IGBT-modules zijn essentiële vermogenscomponenten in veel elektrische systemen. Ze schakelen hoge spanningen en hoge stromen, wat betekent dat ze tijdens gebruik aanzienlijke warmte produceren. Wanneer de warmte niet snel genoeg van de module kan worden afgevoerd, stijgt de temperatuur van het apparaat, wat zowel de prestaties als de levensduur beïnvloedt.

In de praktijk draait thermisch beheer van IGBT's niet alleen om het verlagen van de temperatuur. Klanten zijn doorgaans geïnteresseerd in een aantal dieperliggende aspecten:

• Hoe lokale hotspots te verminderen onder de IGBT-module

• Hoe kan ik de warmteverspreiding over de basis van de koelplaat verbeteren?

• Hoe behoud je stabiele koelprestaties in buitenomgevingen?

• Hoe voorkom je risico's op lekkage, bevriezing en onderhoudsproblemen?

• Hoe vind je de juiste balans tussen koelcapaciteit, structurele betrouwbaarheid, gewicht en kosten?

• Hoe bouw je een op maat gemaakte koelplaat die past bij de daadwerkelijke installatieruimte?

Om deze reden is een standaard aluminium koelplaat vaak niet voldoende voor krachtige IGBT-toepassingen. Een betrouwbaardere, op maat gemaakte koelplaatconstructie is vereist.

Veelvoorkomende problemen met heatpipe-koelers in veeleisende omgevingen.

Warmtebuizen als koelsysteem kunnen in veel gecontroleerde omgevingen effectief zijn. Voor toepassingen buitenshuis en onder extreme omstandigheden kunnen ze echter technische risico's met zich meebrengen die niet genegeerd kunnen worden.

1. Risico op bevriezing in omgevingen met lage temperaturen

Een warmtebuis bevat een werkmedium in een afgesloten buis. In omgevingen met lage temperaturen kan dit medium bevriezen. Zodra het medium bevriest, kan het volume ervan toenemen en de interne structuur van de warmtebuis beschadigen. In ernstige gevallen kan de buis barsten, waardoor de warmteoverdracht volledig uitvalt.

Voor krachtige IGBT-systemen die worden gebruikt in koude gebieden, buitencentrales, apparatuur op grote hoogte of onder winterse omstandigheden, is dit een belangrijk betrouwbaarheidsprobleem.

2. Risico op lekkage en falen van de afdichting

Een warmtebuis is afhankelijk van een afgesloten constructie. Als de afdichting veroudert, scheurt of bezwijkt onder langdurige trillingen, vochtigheid, temperatuurschommelingen of mechanische belasting, kan de interne vloeistof gaan lekken. Zodra er lekkage optreedt, verliest de warmtebuis zijn warmteoverdrachtsvermogen.

Bij koeling van vermogenselektronica is dit type storing in een vroeg stadium mogelijk niet gemakkelijk te detecteren, maar het kan wel direct de veiligheid en betrouwbaarheid van het hele systeem beïnvloeden.

3. prestatievermindering bij langdurig gebruik

De warmteoverdrachtsprestaties van een warmtebuis zijn afhankelijk van de interne circulatie van het werkmedium, de structuur van de lont en de damp-vloeistoffaseovergang. Onder zware bedrijfsomstandigheden kunnen langdurige thermische cycli en mechanische belasting de stabiliteit van de prestaties verminderen.

Daarom kan een solid conduction heatsink zonder interne vloeistof een betrouwbaardere keuze zijn voor sommige IGBT-koelingsprojecten onder zware omstandigheden.

Ontwerpconcept voor een koelplaat met gesoldeerde koper-aluminiumverbindingen

De koper-aluminium gesoldeerde koelplaat is ontworpen om de betrouwbaarheidsproblemen van koelsystemen met heatpipes op te lossen. In plaats van interne vloeistofcirculatie gebruikt de koelplaat een koperen basisplaat voor warmteverspreiding en aluminium vinnen voor warmteafvoer.

De koperen basisplaat absorbeert en verspreidt snel de warmte van de IGBT-module, terwijl de aluminium vinconstructie het warmteafvoeroppervlak vergroot en warmte aan de omringende lucht afgeeft.

Dit ontwerp combineert de voordelen van koper en aluminium:

• Koper biedt uitstekende thermische geleidbaarheid en warmteverspreiding.

• Aluminium biedt een lichtgewicht constructie en een grote warmteafvoer.

• Door middel van solderen wordt het contact tussen koper en aluminium verbeterd.

• Geen warmtepijp betekent geen bevriezing, geen lekkage en een hogere betrouwbaarheid in de omgeving.

Deze constructie is bijzonder geschikt voor de koeling van krachtige IGBT's, de koeling van vermogenselektronica buitenshuis en op maat gemaakte oplossingen voor thermisch beheer in ve veeleisende omgevingen.

Kernstructuurparameters van het koper-aluminium koelblok

De koelstructuur is ontworpen volgens het principe van "warmteverspreiding + efficiënte warmteafvoer". De koperen basisplaat voert de geconcentreerde warmte van de IGBT-module af, terwijl de aluminium vinnen het effectieve koeloppervlak vergroten.

belangrijkste structurele parameters

Deze parametercombinatie is geschikt voor grote, op maat gemaakte aluminium koelplaten, koper-aluminium koelplaten en IGBT-koelplaten die stabiele thermische prestaties en een sterk aanpassingsvermogen aan verschillende omgevingsomstandigheden vereisen.

Waarom een 5 mm dikke koperen bodemplaat gebruiken?

Het onderste oppervlak van een IGBT-module genereert vaak geconcentreerde warmte. Als deze warmte direct wordt overgedragen op een aluminium koelplaat, kunnen er plaatselijke temperatuurverschillen ontstaan omdat aluminium een lagere warmtegeleidingscoëfficiënt heeft dan koper.

Een 5 mm dikke koperen basisplaat helpt dit probleem op te lossen door de warmte gelijkmatiger te verdelen voordat deze de aluminium koelribben bereikt. Dit vermindert het risico op plaatselijke oververhitting en verbetert de werkingsstabiliteit van de IGBT-module.

De koperen bodemplaat biedt diverse voordelen:

• betere warmteverspreiding onder de IGBT-module

• kleiner temperatuurverschil over de basis van de koelplaat

• verminderde lokale hotspots

• verbeterde contact thermische prestaties

• betere bescherming voor krachtige halfgeleiderapparaten

Bij toepassingen met hoog vermogen is de koperen basisplaat niet alleen een warmtegeleidende laag, maar ook het belangrijkste onderdeel dat de temperatuuruniformiteit en de betrouwbaarheid van de module verbetert.

Aluminium lamellen met afschuining voor warmteafvoer over een groot oppervlak.

Het aluminium vingedeelte is ontworpen om warmte af te voeren naar de omgeving. In deze uitvoering bedraagt de vinlengte 850 mm, de hoogte 100 mm en de vindikte 1,5 mm. Deze grote vinconstructie zorgt voor een breed warmteafvoergebied, waardoor het geschikt is voor warmtebelastingen met een hoog vermogen.

Aluminium is gekozen omdat het een goede balans biedt tussen thermische prestaties, gewicht, kosten en produceerbaarheid. In vergelijking met een volledig koperen koelplaat kan een koper-aluminium composietstructuur het totale gewicht verminderen, terwijl de warmteverspreiding bij de warmtebron optimaal blijft.

Bij dit type koelribben met afgeschuinde randen is de geometrie van de ribben belangrijk, omdat deze direct van invloed is op de thermische weerstand aan de luchtzijde. De ribhoogte, ribafstand, ribdikte en luchtstroomrichting moeten worden geoptimaliseerd op basis van de feitelijke bedrijfsomstandigheden.

voordelen van een aluminium vinconstructie

Hierdoor is de oplossing geschikt voor koelplaten voor vermogenselektronica, koelplaten voor IGBT-modules, industriële koelsystemen en andere toepassingen voor thermisch beheer bij hoog vermogen.

Koper-aluminium interfaceverbinding met soldeerpasta van 230 °C

De verbinding tussen koper en aluminium is een van de belangrijkste onderdelen van de gehele koelplaat. Zelfs als beide materialen een goede warmtegeleiding hebben, kan een slechte hechting tussen de materialen een hoge contactweerstand veroorzaken en het algehele koeleffect verminderen.

Om de interfacekwaliteit te verbeteren, maakt deze koelplaat gebruik van een soldeerpasta met een smeltpunt van 230 °C in combinatie met een stencilprintproces. De soldeerpasta wordt gelijkmatig op het verbindingsvlak aangebracht met behulp van een speciaal ontworpen stalen stencil. Na nauwkeurige positionering en gecontroleerde verwarming smelt het soldeer en vormt het een sterke thermische en mechanische verbinding tussen de koperen basisplaat en de aluminium structuur.

belangrijke processtappen

Door dit proces kan de koper-aluminium interface nauw contact en een lagere thermische weerstand bereiken, wat essentieel is voor de koeling van krachtige IGBT's.

Waarom stencilprinten belangrijk is bij soldeerverbindingen

Bij een grote koper-aluminium koelplaat kan soldeerpasta niet zomaar willekeurig worden aangebracht. Als de soldeerlaag te dun is, hechten sommige delen mogelijk niet goed. Als de soldeerlaag te dik is, kan dit de thermische weerstand verhogen of een ongelijkmatige hechting veroorzaken.

Stencilprinten helpt dit probleem op te lossen door de dikte en verdeling van de soldeerpasta te controleren. Dit verbetert de consistentie, herhaalbaarheid en productie-efficiëntie.

De voordelen van stencilprinten zijn onder andere:

• gelijkmatigere dikte van de soldeerpasta

• betere controle van het hechtingsgebied

• verminderd risico op lokale holtes

• verbeterde koper-aluminium contactkwaliteit

• betere procesherhaalbaarheid voor batchproductie

• stabielere thermische prestaties

Voor een fabrikant van op maat gemaakte koelplaten is processtabiliteit net zo belangrijk als materiaalkeuze. Een goed ontwerp moet produceerbaar, reproduceerbaar en betrouwbaar zijn onder reële werkomstandigheden.

koper-aluminium koelblok versus koelblok met warmtebuizen

Voor het koelen van IGBT's onder zware omstandigheden biedt de koper-aluminium gesoldeerde koelplaat diverse voordelen ten opzichte van een traditionele koelplaat met heatpipes.

Dit betekent niet dat heatpipes niet nuttig zijn. In veel toepassingen blijven heatpipes een goede oplossing. Echter, wanneer de belangrijkste overwegingen van de klant bevriezing, lekkage en betrouwbaarheid op lange termijn in ruwe omgevingen zijn, is een gesoldeerde koper-aluminium koelplaat wellicht geschikter.

Toepassingsvoordelen in ve veeleisende omgevingen

Deze koelplaat van koper-aluminiumcomposiet is ontworpen voor toepassingen waarbij betrouwbaarheid belangrijker is dan alleen thermische prestaties op korte termijn.

1. Geen risico op defecten aan de warmtebuizen

Omdat de koelplaat geen heatpipes gebruikt, is deze niet afhankelijk van een interne vloeistof, dampcirculatie of afgesloten buisconstructies. Dit elimineert de risico's van vloeistoflekkage, scheuren in leidingen en veroudering van heatpipes.

Voor IGBT-systemen die continu moeten werken, is dit een groot voordeel.

2. Geen bevriezingsprobleem bij lage temperaturen.

In koude gebieden of bij buitentoepassingen kan de vloeistof in de warmtebuis bevriezen en de buis beschadigen. De koper-aluminium warmteafvoer maakt gebruik van halfgeleidergeleiding, waardoor deze niet wordt beïnvloed door interne bevriezing van de vloeistof.

Hierdoor is het geschikt voor:

• hooggelegen stroomvoorziening

• elektrische kasten voor buiten

• windenergiesystemen

• energieopslagsystemen

• spoorweg- en tractiekrachtsystemen

• industriële apparatuur in koude regio's

• Koeling van elektrische elektronica in veeleisende buitenomstandigheden

3. Betere warmteverspreiding onder de IGBT-module

De 5 mm dikke koperen bodemplaat zorgt voor een gelijkmatigere warmteverdeling over de basis van het koelblok. Dit vermindert de temperatuurconcentratie aan de onderkant van de IGBT en draagt bij aan een betere betrouwbaarheid van de module.

4. grotere structurele betrouwbaarheid

De gesoldeerde koper-aluminium constructie is mechanisch stabiel. Het vermijdt de fragiele, afgesloten structuur van warmtebuizen en is beter bestand tegen trillingen, vochtigheid, temperatuurschommelingen en gebruiksomstandigheden buitenshuis.

5. Geschikt voor productie op maat

Het printproces van de soldeerpastastencils is beheersbaar en herhaalbaar. Het kan worden aangepast aan verschillende koelplaatformaten, verbindingsoppervlakken, vinstructuren en thermische eisen van de klant.

Wanneer moet je kiezen voor een koelplaat met koper-aluminium soldeerverbindingen?

Een koper-aluminium gesoldeerde koelplaat is geschikt wanneer de klant een betrouwbare koeloplossing nodig heeft voor krachtige elektronica, maar de risico's van heatpipes wil vermijden.

aanbevolen toepassingsscenario's

Voor sommige toepassingen met extreem hoge warmteflux kan een vloeistofkoelplaat nog steeds nodig zijn. Kingka kan ook oplossingen op maat leveren, zoals vloeistofkoelplaten, waterkoelplaten, FSW-vloeistofkoelplaten en CNC-gefreesde koelplaten, wanneer luchtkoeling of vaste geleidingskoelplaten niet volstaan.

Koper-aluminium koelblok of vloeistofkoelplaat: hoe maak je de juiste keuze?

Zowel koper-aluminium koelplaten als vloeistofkoelplaten worden gebruikt bij thermisch beheer van krachtige systemen, maar ze lossen verschillende problemen op.

Als betrouwbaarheid in een ruwe omgeving de belangrijkste zorg van de klant is, is een koper-aluminium gesoldeerde koelplaat een goede optie. Als de warmteoverdracht te hoog is voor luchtkoeling, is een vloeistofkoelplaat wellicht geschikter.

Hoe Kingka aangepaste IGBT-koelingsprojecten ondersteunt

Kingka is gespecialiseerd in op maat gemaakte componenten voor thermisch beheer in vermogenselektronica, energieopslag, industriële apparatuur, led-systemen, telecommunicatieapparatuur, automatiseringssystemen en krachtige elektronische apparaten.

Onze producten en diensten omvatten:

• op maat gemaakte aluminium koelplaat

• koperen koelplaat

• koper-aluminium koelplaat

• warmteafvoer met afgeschuinde vinnen

• extrusie koelplaat

• warmtebuis-warmteafvoer

• IGBT-koelingskoelblok

• vloeistofkoelplaat

• waterkoelplaat

• fsw vloeistofkoelplaat

• CNC-gefreesde koelplaat

• oplossingen voor thermisch beheer op maat

Voor IGBT-koelingsprojecten kan Kingka ondersteuning bieden bij structureel ontwerp, materiaalselectie, vinontwerp, koper-aluminiumverbindingen, optimalisatie van het soldeerproces, CNC-bewerking, oppervlaktebehandeling en productie op maat volgens klanttekeningen of toepassingsvereisten.

Ons doel is niet alleen het produceren van een koelplaat, maar ook om klanten te helpen bij het oplossen van praktische thermische problemen, zoals hotspots, beperkte ruimte, gebruik in zware omstandigheden, betrouwbaarheidsrisico's en stabiliteit van de prestaties op lange termijn.

Bij krachtige IGBT-modules die in veeleisende omgevingen worden gebruikt, kunnen traditionele heatpipe-koelers risico's met zich meebrengen zoals bevriezing van de koelvloeistof, lekkage, defecte afdichtingen en prestatievermindering op de lange termijn. Deze problemen kunnen ernstige gevolgen hebben bij toepassingen buitenshuis, in omgevingen met een hoge luchtvochtigheid, op grote hoogte en bij lage temperaturen.

De koper-aluminium gesoldeerde koelplaat van Kingka biedt een betrouwbaarder alternatief. Door gebruik te maken van een 5 mm dikke koperen basisplaat voor warmteverspreiding, een 10 mm dikke aluminium basis en grote aluminium vinnen voor warmteafvoer, en soldeerpasta van 230 °C met stencilprinttechnologie voor de verbinding tussen koper en aluminium, levert deze oplossing stabiele thermische prestaties zonder afhankelijk te zijn van heatpipes.

Het resultaat is een robuuste, produceerbare en milieubestendige koelplaat voor IGBT's, geschikt voor veeleisende toepassingen in de vermogenselektronica.

Voor klanten die behoefte hebben aan op maat gemaakte koelplaten, koper-aluminium koelplaten, koelplaten met afgeschuinde vinnen, vloeistofkoelplaten of complete oplossingen voor thermisch beheer, kan Kingka betrouwbare ontwerp- en productieondersteuning bieden op basis van de werkelijke warmtebelasting, de beschikbare installatieruimte, de bedrijfsomgeving en de eisen aan de betrouwbaarheid op lange termijn.